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INSTALAÇÃO DE DUTOS FLEXÍVEIS EM ÁGUAS ULTRAPROFUNDAS.

Marcelo Lopes Xavier

DISSERTAÇÃO SUBMETIDA AO CORPO DOCENTE DA COORDENAÇÃO DOS

PROGRAMAS DE PÓS-GRADUAÇÃO DE ENGENHARIA DA UNIVERSIDADE

FEDERAL DO RIO DE JANEIRO COMO PARTE DOS REQUISITOS

NECESSÁRIOS PARA A OBTENÇÃO DO GRAU DE MESTRE EM CIÊNCIAS EM

ENGENHARIA OCEÂNICA.

Aprovada por:

________________________________________________ Prof. Murilo Augusto Vaz, Ph.D.

________________________________________________ Prof. Antonio Carlos Fernandes, Ph. D.

________________________________________________ Prof. Ivan Carlos Pimentel da Cruz, D. Sc.

RIO DE JANEIRO, RJ - BRASIL

JUNHO DE 2006

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i

XAVIER, MARCELO LOPES

Instalação de dutos flexíveis em águas

ultraprofundas. [Rio de Janeiro] 2006.

XII, 82 p. 29,7 cm (COPPE/UFRJ, M.Sc.,

Engenharia Oceânica, (2006).

Dissertação - Universidade Federal do Rio de

Janeiro, COPPE.

1. Instalação de flexíveis. 2. Águas

ultraprofundas.

I. COPPE/UFRJ. II. Título (série).

ii

AGRADECIMENTOS

Durante a elaboração deste trabalho, gostaria de destacar a colaboração do

professor Murilo Vaz, por sua orientação sempre presente. Do grupo de docentes do

curso de Mestrado em Engenharia Oceânica da COPPE UFRJ pelo conhecimento

adquirido ao longo do curso.

Saliento a importância de Odd Kvello por sua visão de futuro para os profissionais

da empresa e de todo o departamento de Engenharia e Construção da SUBSEA7 pela

constante e intensa troca de conhecimentos vivenciada nesses últimos cinco anos.

iii

Resumo da dissertação apresentada à COPPE/UFRJ como parte dos requisitos

necessários para a obtenção do grau de Mestre em Ciências (M.Sc.)

INSTALAÇÃO DE DUTOS FLEXÍVEIS EM ÁGUAS ULTRAPROFUNDAS


Junho/2006

Orientador: Murilo Augusto Vaz Programa: Engenharia Oceânica

Novos cenários de exploração offshore de petróleo estão sendo descobertos em

águas cada vez mais profundas e a viabilidade de produção destas reservas requer uma

análise criteriosa. A tecnologia e os instrumentos utilizados hoje na instalação dos

equipamentos indispensáveis para a exploração de novos campos em profundidades

acima de 2000m precisam ser validados. Este trabalho promove uma avaliação da

instalação de dutos flexíveis em lâminas d’água de até 3000m, citando desafios,

discutindo problemas e, finalmente, propondo soluções.

Aspectos relacionados à técnica específica do duto flexível e aos equipamentos

de instalação são apresentados. Assim como a tecnologia de dutos flexíveis capazes de

resistir às solicitações impostas por um cenário de 3000m de profundidade.

Análises globais de diferentes configurações de catenárias e análises locais do

flexível de novas tecnologias em uma proposta de operação em 3000m são os principais

focos deste trabalho.

iv

Abstract of dissertation presented to COPPE/UFRJ as a partial fulfillment of the

requirements for the degree of Master of Science (M.Sc.)

FLEXIBLE PIPE INSTALLATION IN ULTRADEEPWATER


June / 2006

Advisor: Murilo Augusto Vaz

Department: Ocean Engineering

New offshore scenarios for oil exploitation have been discovered in increasing

water depths and the feasibility of oil production requires more accurate analyses. The

technology and the product use nowadays during the installation of the subsea

equipment required for oil exploitation must be investigated and validated for water

depths deeper than 2000m. This paper evaluates the installation of flexible pipes in

water depths up to 3000m, naming challenges, discussing problems and finally

analyzing solutions.

Aspects of flexible pipe technology and the installation equipment are

presented in this paper. So is the technology of flexible pipes capable of maintain

integrity in scenarios of water depths up to 3000m.

Global analyses of various catenary configurations and local analyses of the

new flexible pipe in a 3000m operation are the main focus of this paper.

v

ÍNDICE

1 INTRODUÇÃO ..................................................................................................................................1

1.1 HISTÓRICO DE INSTALAÇÃO DE FLEXÍVEIS ................................................................2 1.1.1 Instalação de flexíveis no Brasil.........................................................................................3

1.2 CUSTO DE UM FLEXÍVEL.....................................................................................................5

1.3 NORMAS ....................................................................................................................................7

1.4 FABRICAÇÃO DO FLEXÍVEL...............................................................................................7

1.5 DESAFIOS EM ÁGUAS ULTRAPROFUNDAS ....................................................................8

1.6 O DUTO FLEXÍVEL .................................................................................................................9 1.6.1 Estrutura convencional de um duto flexível .....................................................................9 1.6.2 Novos conceitos de dutos flexíveis ...................................................................................11

1.7 NAVIOS DE LANÇAMENTO DE DUTOS...........................................................................14 1.7.1 Adequação à operação em águas ultraprofundas ..........................................................15

1.7.1.1 Tensionadores.................................................................................................................16 1.7.1.2 Guinchos.........................................................................................................................16 1.7.1.3 Guindastes ......................................................................................................................17 1.7.1.4 Sistema de armazenamento do flexível ..........................................................................17 1.7.1.5 Equipamentos de Suporte ...............................................................................................17

1.8 A ORGANIZAÇÃO DO TEXTO............................................................................................18

2 ANÁLISE GLOBAL DO LANÇAMENTO EM PROFUNDIDADE DE 3000m........................19

2.1 OBJETIVO ...............................................................................................................................19

2.2 FORMULAÇÃO ANALÍTICA ...............................................................................................19 2.2.1 Resultados da variação de profundidade e ângulo de topo na configuração...............20

2.3 ANÁLISE GLOBAL DE DIFERENTES DUTOS.................................................................25 2.3.1 Comparação dos resultados da análise com o Orcaflex ................................................27

2.4 CARREGAMENTOS...............................................................................................................29 2.4.1 Carregamentos ambientais: .............................................................................................29

2.5 COMPORTAMENTO DINÂMICO .......................................................................................30

2.6 RESULTADOS DA ANÁLISE GLOBAL..............................................................................39

2.7 CONCLUSÕES DAS ANÁLISES GLOBAIS........................................................................47

3 ESTUDO DE CASO.........................................................................................................................50

3.1 CENÁRIO .................................................................................................................................51

vi

3.2 PARÂMETROS DO MODELO..............................................................................................52 3.2.1 Propriedades dos dutos ....................................................................................................54 3.2.2 Critérios Ambientais ........................................................................................................54 3.2.3 Parâmetros do Navio de Instalação.................................................................................55

3.3 RESULTADOS DAS SIMULAÇÕES ....................................................................................55 3.3.1 Cargas no momento da CVD de 1ª:.................................................................................55 3.3.2 Parâmetros de lançamento ao longo da rota:.................................................................57 3.3.3 Cargas no momento da CVD de 2ª:.................................................................................61 3.3.4 Condição Crítica de Instalação........................................................................................62

3.4 COMENTÁRIOS SOBRE OS RESULTADOS.....................................................................64

3.5 ANÁLISE LOCAL NO FLEXÍVEL .......................................................................................64 3.5.1 Aperto mínimo para sustentação do duto.......................................................................66 3.5.2 Aplicação das cargas do estudo de caso ..........................................................................67 3.5.3 Modelo em elementos finitos............................................................................................67

3.6 COMENTÁRIOS SOBRE OS RESULTADOS.....................................................................71

4 CONCLUSÕES ................................................................................................................................73

4.1 CENÁRIOS FUTUROS ...........................................................................................................73

5 BIBLIOGRAFIA ..............................................................................................................................75

APÊNDICE A ...........................................................................................................................................77

APÊNDICE B ...........................................................................................................................................81

vii

ÍNDICE DE FIGURAS

Figura 1 – Aplicação da armadura de tração .................................................................. 8

Figura 2 – Camadas da estrutura de um duto flexível...................................................... 9

Figura 3 – Estrutura de um flexível com utilização de materiais compósitos na

armadura de tração ...................................................................................... 12

Figura 4 – Layout de um navio de lançamento de dutos flexíveis .................................. 15

Figura 5 – Sistema de coordenadas ................................................................................ 19

Figura 6 – Configuração das catenárias em 3000m para diferentes ângulos de topo... 21

Figura 7 – Gráfico com variação da projeção horizontal e comprimento suspenso ..... 22

Figura 8 – Gráfico da projeção horizontal e do comprimento suspenso com a variação

do ângulo de topo ......................................................................................... 23

Figura 9 – Gráfico de variação de raio de curvatura em função do ângulo de topo..... 24

Figura 10 – Gráfico de variação de raio de curvatura em função da profundidade ..... 25

Figura 11 - Gráfico do comprimento suspenso para diferentes profundidades ............. 28

Figura 12 - Gráfico da projeção horizontal da catenária para diferentes profundidades

...................................................................................................................... 28

Figura 13 – Representação gráfica dos seis graus de liberdade de um SFO................. 30

Figura 14 – Gráfico do FAD da carga de um corpo em um navio de rígidos em função

do ângulo de incidência das ondas .............................................................. 32

Figura 15 - Gráfico do FAD da carga de um corpo em um navio de flexíveis em função

do ângulo de incidência das ondas .............................................................. 33

Figura 16 – Gráfico do FAD da tração de topo da catenária em função do ângulo de

incidência das ondas com a catenária de meio grau conectada ao navio ... 34

Figura 17 - Gráfico do FAD da tração de topo da catenária em função do ângulo de

incidência das ondas com a catenária de um grau conectada ao navio ...... 34

Figura 18- Gráfico do FAD da tração de topo da catenária em função do ângulo de

incidência das ondas com a catenária de 1,5 graus conectada ao navio .... 35


incidência das ondas com a catenária de cinco graus conectada ao navio. 35


incidência das ondas com a catenária de sete graus conectada ao navio ... 36


incidência das ondas com a catenária de sete graus conectada ao navio ... 36

viii

Figura 22 - Gráfico da Tração de topo estática para diferentes profundidades............ 40

Figura 23 - Gráfico da Tração de topo dinâmica para diferentes profundidades ......... 41

Figura 24 - Gráfico do comprimento suspenso da catenária para diferentes

profundidades ............................................................................................... 42


...................................................................................................................... 43

Figura 26 - Gráfico da tração de fundo dinâmica para diferentes profundidades ........ 44

Figura 27 - Gráfico da tração de fundo estática para diferentes profundidades........... 44

Figura 28 - Gráfico do momento fletor para diferentes profundidades ......................... 45

Figura 29 – Curvatura de diferentes dutos para 3000m e diferentes ângulos de topo .. 46

Figura 30 – Raio mínimo de diferentes dutos para 3000m e diferentes ângulos de topo

...................................................................................................................... 47

Figura 31 – Campos de exploração de petróleo na bacia de Campos ........................... 50

Figura 32 – Localização de poço em profundidades próximas a 3000 metros .............. 51

Figura 33 – Perfil do leito marinho para o estudo de caso............................................ 52

Figura 34 – Desenho esquemático representando uma CVD de 1ª extremidade ........... 53

Figura 35 – Desenho esquemático representando lançamento ao longo da rota .......... 53

Figura 36 – Desenho esquemático representando a conexão de 2ª extremidade........... 54

Figura 37 – Vista superior do modelo de conexão vertical de 1ª extremidade em

Orcaflex ........................................................................................................ 56

Figura 38 – Vista lateral do modelo de conexão vertical de 1ª extremidade ................. 56

Figura 39 – Tração de Topo dinâmica ao longo do lançamento ................................... 57

Figura 40 – Tração de Topo estática ao longo do lançamento ...................................... 58

Figura 41 – Tração dinâmica no TDP ao longo do lançamento .................................... 59

Figura 42 – Tração estática no TDP ao longo do lançamento ...................................... 59

Figura 43 – Comprimento Suspenso ao longo da rota ................................................... 60

Figura 44 – Projeção horizontal da catenária ao longo da rota ................................... 60

Figura 45 – Curvatura da catenária ao longo da rota ................................................... 61

Figura 46 – Vista lateral do modelo de CVD 2ª em Orcaflex......................................... 62

Figura 47 – Tração de topo estática para duto alagado ................................................ 63

Figura 48 – Tração de topo dinâmica para duto alagado.............................................. 63

Figura 49 – Modelo 3D do duto flexível ......................................................................... 68

Figura 50 – Malha de elementos finitos.......................................................................... 68

ix

Figura 51 – Resultados de tensões de Von Mises devido à compressão do tensionador

com três “tracks” ......................................................................................... 69


com dois “tracks”......................................................................................... 69


com quatro “tracks”..................................................................................... 70


com quatro “tracks” e tração de 250ton ..................................................... 70

Figura 55 – Fator de utilização DNV para diferentes espessuras ................................. 79

Figura 56 – Modelo 3D e malha de elementos finitos do duto flexível .......................... 81

Figura 57 – Resultados de tensões Axiais na carcaça e armaduras de tração .............. 81

Figura 58 – Resultados de deformações no duto em função do aperto .......................... 82

x

ÍNDICE DE TABELAS

Tabela 1 – Comparação de preços entre dutos flexíveis e rígidos ................................... 6

Tabela 2 – Resultados para 3000m de profundidade e ângulo de topo de cinco graus. 40

Tabela 3 – Parâmetros do novo flexível ......................................................................... 51

Tabela 4 – Características dos equipamentos do navio de lançamento ........................ 55

Tabela 5 – Cargas durante operação de CVD em 1ª extremidade................................. 56

Tabela 6 – Cargas durante operação de CVD em 2ª extremidade................................. 62

Tabela 7 – Nível de tensões para diferentes configurações de track ............................. 71

Tabela 8 – Resultados dos modelos quando submetidos à tração ................................. 82

Tabela 9 – Resultados dos modelos quando submetidos ao aperto ............................... 82

xi

ABREVIAÇÕES

BAP – Base Adaptadora de Produção

CT – Centro

CVD – Conexão vertical direta

Deg – Degrees – graus

FAD – Fator de Amplificação Dinâmica

FCR – “Fiber Carbon Reforced” – Fibra de carbono reforçada

FEA – Finite Element Analysis – Análise por elementos finitos

FSCT – Fiber Spar composite tubing

H – Altura de onda

Hs – Altura significativa de onda

JONSWAP – Joint North Sea Wave Project

Kp – Key point – ponto de referência

LDA – lâmina d’água

MBR – Minimum bending radius – raio mínimo de curvatura

MCV – Módulo de conexão vertical

PS – Bombordo

RAO – Response Amplitude Operator

ROV – Veículo operado remotamente

SB – Boreste

SFO – Sistema oceânico flutuante

TDP – “Touch Down Point” Ponto da Catenária que toca o leito marinho

Tp – Período de Pico

Tz – Período de cruzamento no zero

xii

GLOSSÁRIO

Bundle - Conjunto de dutos, utilizado para interligar equipamentos submarinos e estes

às unidades de produção, composto por linhas de escoamento e umbilicais de controle.

Flexível unbonded – Duto em que as camadas não são coladas entre si, permitindo

deslizamento entre as mesmas.

Flowline – Trecho estático de linha flexível ou rígida (apoiado no fundo do mar).

Goose-neck – “Spool” curvo flangeado, componente do MCV, que promove a transição

entre o duto flexível e o hub de conexão vertical.

J lay – Método de lançamento de dutos rígidos.

Lay barge – Embarcação de lançamento de dutos.

Manifold – Equipamento para coleta de óleo cru e distribuição de “gas-lift” e água de

injeção.

Overboarding – Operação de transposição de linhas ou equipamentos por sobre as

rodas de lançamento do navio, de modo a preservar a linha ou equipamento em questão

contra esforços de flexão elevados no lançamento.

Riser – Trecho dinâmico de linha flexível / rígido que interliga o sistema submarino de

coleta / exportação à unidade de produção.

Tracks – Neste trabalho refere-se às pistas dos tensionadores.

1

1 INTRODUÇÃO

A produção submarina de petróleo e gás é, e tem sido, um constante e motivador

desafio para a indústria, no qual aspectos como dificuldades ambientais e de locação são

críticos. Desde a completação do primeiro poço submarino em 1947, em Lake Eric,

onde os equipamentos usados em águas rasas eram similares aos utilizados em terra,

ocorreu um grande avanço tecnológico, tanto nos métodos aplicados, quanto nos

equipamentos empregados. Tais avanços, combinados com a experiência adquirida, têm

levado a exploração de petróleo e gás a ampliar progressivamente suas fronteiras na

direção de águas cada vez mais profundas, o que defronta os técnicos com cenários

significativamente mais adversos.

A partir da redução de reservas em águas rasas, inicia-se a adequação de todos os

processos e equipamentos envolvidos a uma nova realidade: a exploração em águas

ultraprofundas.

A indústria petrolífera está constantemente ampliando e desenvolvendo novas

técnicas, movida pelo desejo de colocar em produção seus campos já descobertos em

águas profundas, assim como campos potenciais em profundidades cada vez maiores de

lâmina d'água.

Dentre os inúmeros desafios tecnológicos para viabilizar a exploração de petróleo

neste novo cenário, o desenvolvimento de dutos preparados para a instalação, e capazes

de operar nestas condições, é peça chave para o estabelecimento de uma nova fronteira,

a cerca de 3000 metros ref. [1]

No Brasil, dutos flexíveis têm sido utilizados em larga escala no sistema de

escoamento “offshore” de óleo e gás. A sua utilização em águas ultraprofundas pode vir

a ser ainda mais vantajosa, embora dependente do desenvolvimento de novos materiais

2

e processos, sendo objeto deste trabalho oferecer subsídios a esta discussão, através da

análise de uma proposta de instalação dos mesmos neste novo cenário.

1.1 HISTÓRICO DE INSTALAÇÃO DE FLEXÍVEIS

O primeiro registro da utilização de dutos flexíveis data do período da segunda

guerra mundial. O duto foi instalado para conectar a Inglaterra à França, durante o

período do conflito, com o intuito de viabilizar o transporte de combustível para suporte

logístico ref. [2].

Com o passar dos anos, a tecnologia dos flexíveis evoluiu, adequando-se aos novos

cenários de utilização. Neste sentido, a forma da estrutura, que se assemelha aos

flexíveis aplicados nos dias de hoje, começou a ser desenvolvida desde 1970.

Atualmente, a aplicabilidade destes equipamentos é extensa, conectando poços aos

“manifolds”, poços aos SFOs, “manifolds” aos SFOs. A finalidade também é

diversificada, podendo servir para: exportação de gás, injeção de água, produtos

químicos e gás, produção de óleo e gás, além do transporte de longa distância de fluidos

não tratados.

Ainda, dependendo da utilização, pode apresentar diferentes diâmetros,

comprimentos, estruturação de camadas e materiais de composição. As condições

inerentes à sua fabricação, instalação, operação e desmobilização, também devem ser

consideradas durante a fase de projeto.

Tais condições, inclusive, são julgadas fundamentais desde a implantação do

primeiro poço, em West Cameron, a 17m de profundidade. O projeto de instalação e

operação foi realizado sem auxílio de mergulhadores, demonstrando a viabilidade do

uso de equipamentos e dutos em profundidades não alcançáveis pelo ser humano.

3

1.1.1 Instalação de flexíveis no Brasil

O duto flexível sempre teve importância fundamental no sistema de exploração

brasileiro. Sua utilização apresenta diversos benefícios, dentre os quais podem ser

destacados:

• Antecipação da produção através de sistemas piloto de produção;

• Reutilização dos dutos em diferentes sistemas, seja de produção, injeção etc.;

• Facilidade de instalação, contemplando a possibilidade de lançamento de três

dutos simultaneamente;

• Capacidade de lançamento de grandes trechos de dutos numa única campanha

de um navio.

O histórico de utilização do flexível coincide com a descoberta do primeiro campo

de exploração na bacia de Campos, em 1975. Em 1976, a PETROBRAS começa a

realizar lançamento de dutos flexíveis através de empresas especializadas. A

profundidade de instalação destes equipamentos é de aproximadamente 100m.

Com o passar do tempo, a descoberta de reservatórios, e sua conseqüente

exploração, tende para águas cada vez mais profundas. As tecnologias de fabricação de

flexíveis são aperfeiçoadas e diferentes estruturas são criadas em função das

necessidades particulares de cada projeto. Diante do intenso desenvolvimento de novas

estruturas de flexíveis, surge a necessidade de padronização do produto e a elaboração

de normas específicas torna-se indispensável.

Desta forma, a API Spec 17J é utilizada para normatização de dutos flexíveis pelas

indústrias, sendo adotada como padrão para especificação, projeto, fabricação, seleção

de materiais e teste destes produtos, ref. [3].

4

No início da década de 90, a exploração a 900m de profundidade já é uma técnica

dominada, contando com dez poços e uma rede de 168km de flexíveis. E em meados

desta mesma década, a instalação em lâminas d’água de 1500m já é uma realidade.

Pouco tempo depois, no final dos anos noventa, a instalação de dutos flexíveis atinge

marcas próximas aos 2000m. O progresso dos primeiros anos do novo século é veloz, já

que a rede de flexíveis passa a ser composta por aproximadamente 2500km de linhas de

fluxo e 1500km de umbilicais.

Com este histórico, os dutos flexíveis têm tido um importante papel na história de

exploração de petróleo no Brasil, construindo gradualmente uma reputação de confiança

e viabilidade econômica. Nenhum lugar do mundo tem uma rede de dutos flexíveis

como a instalada na bacia de Campos.

Este fator, agregado à variação de parâmetros determinantes num cenário dinâmico,

promove a constante necessidade de otimização das configurações do campo submarino

de exploração.

O desenvolvimento de um campo ultraprofundo pressupõe inúmeros requisitos

básicos para definição da arquitetura final. Os aspectos típicos para determinação do

campo são:

• reservatório: tamanho, forma, profundidade e pressão, propriedade do fluido;

• flowlines/risers – número de dutos, tipo de serviço, diâmetro, necessidade de gas

lift, performance térmica;

• arranjo submarino – localização de poços e manifolds, batimetria, cronograma

de instalação, entre outros, ref. [4]

5

Estas condições são ainda mais críticas na exploração em águas ultraprofundas e a

conseqüência disto é a exigência de um salto de desenvolvimento que requer não só

estruturas mais resistentes de dutos flexíveis, como também avanços em todos os

elementos que fazem parte do processo de exploração de petróleo offshore. É necessário

que a exploração se torne mais do que tecnicamente possível: deve ser economicamente

viável.

Esta perspectiva representa a necessidade de avanço dos projetos de dutos flexíveis

atuais, bem como dos conceitos e equipamentos envolvidos na instalação dos mesmos,

já que a barreira dos 2000m é comumente apresentada como o limite técnico-econômico

para instalação, ref [5].

Este panorama pode ser entendido ao analisarmos o poço 1-BRSA-18-ESS,

localizado na Bacia de Campos, que confirmou a existência de acumulações de óleo em

águas ultraprofundas (2243 metros). Ao mesmo tempo em que se abre uma nova

fronteira exploratória para a atuação no país, cria-se a demanda de pesquisas capazes de

viabilizar a prática desta exploração.

1.2 CUSTO DE UM FLEXÍVEL

Apesar do custo do material para fabricação do duto ser alto, algo em torno de seis

vezes, ref.[2], o custo equivalente ao duto de aço, o flexível é mais rápido e mais barato

para lançamento, podendo ser instalado por embarcações adaptadas ou por navios de

perfuração. Através do uso de barcos especificamente projetados para realização desta

tarefa, o duto pode ser instalado na faixa de até 500 metros por hora. Isto significa uma

grande vantagem comparativa ao custo de mobilização de um “lay barge”, o que

acarreta um percentual significativo de redução do custo total do projeto.

6

O duto também permite recolhimento posterior para inspeção, reparo e reutilização,

fator que deve ser levado em consideração nos estudos de viabilidade econômica.

Ainda no âmbito do produto e da instalação, para o cenário de 2000 metros é

possível realizar uma comparação, como propõem Thome e Galgoul em 2004, ref [2]:

utilizando valores de mercado de concorrências no Brasil para projetos de profundidade

que variam de 1300 a 2000 metros. Os autores selecionaram os menores valores por

unidade de comprimento de rígido e flexível, estando a comparação apresentada na

tabela 1:

Tabela 1 – Comparação de preços entre dutos flexíveis e rígidos Duto flexível (US$)/m Duto rígido (US$)/m OD

(in) Produto Instalação Total Produto Instalação Total 4 170 35 205 80 260 340 6 390 60 450 100 250 350

6 (*) 550 60 610 230 250 480

(*) Duto com isolamento térmico

Cabe salientar que os valores de flexível tiveram uma grande variação e, para efeito

de confronto, os autores utilizaram os menores preços.

O custo de instalação do rígido está associado à instalação pelo método “J lay”.

Para rígidos, existe ainda a possibilidade de lançamento pelo método “reel”, que

comparado ao método convencional, inclui solda onshore em ambiente controlado, fora

do caminho crítico, permitindo um alto padrão de controle de qualidade, mais rápido,

seguro, com soluções mais baratas e, por conseguinte, uma janela mais curta de

instalação, ref [9].

Infelizmente, a comparação completa de custos entre rígidos e flexíveis, em

profundidades de 3000 metros, ainda não é possível, já que a tecnologia do flexível

encontra-se em desenvolvimento.

7

1.3 NORMAS

Atualmente as normas regulamentadoras relativas a dutos flexíveis não se

encontram tão bem desenvolvidas como as de dutos rígidos. Porém algumas

recomendações estão disponíveis, como API, NI-2409, Veritec e IP. A API 17J é

normalmente utilizada pela indústria para flexíveis “unbonded”.

Esta especificação define os requisitos técnicos para assegurar, dimensionalmente e

funcionalmente, que os dutos flexíveis sejam projetados e fabricados em conformidade

com normas e critérios. Requisitos mínimos são determinados no projeto, seleção de

materiais, fabricação, teste, marcação e armazenamento de dutos flexíveis, ref [7] e

[16].

Em função da vasta aplicação de flexíveis no Brasil, o “know-how” adquirido pelas

empresas tem contribuído fortemente para a consolidação da padronização das normas

inerentes a estes dutos.

1.4 FABRICAÇÃO DO FLEXÍVEL

Dutos flexíveis são compostos por camadas concêntricas de metal e material

polímero termoplástico, podendo ou não ser coladas umas às outras. Os flexíveis

abordados neste trabalho são os chamados “unbonded”, ou seja, flexíveis em que as

camadas não são coladas umas às outras, permitindo o deslizamento entre as mesmas. A

Figura 1 mostra a aplicação de armadura de tração no duto.

8

Figura 1 – Aplicação da armadura de tração

O projeto e a fabricação de flexíveis são realizados de forma diferenciada dos dutos

rígidos. O fabricante é responsável por todo o projeto de fabricação e, algumas vezes,

pela instalação. Por outro lado, em dutos rígidos o fabricante é o responsável pelo

projeto, mas raramente é envolvido no processo de instalação.

1.5 DESAFIOS EM ÁGUAS ULTRAPROFUNDAS

A diversidade de problemas para a viabilidade da exploração de petróleo em

profundidades de aproximadamente 3000m é extensa. Envolve desafios em várias

etapas/campos do processo: perfuração de poços, desenvolvimento de equipamentos

submarinos, garantia de escoamento, controle de sistemas submarinos, sistemas de

amarra de unidades de produção etc.

Neste cenário global, a dificuldade de utilização/instalação do flexível é um dos

aspectos que deve ser avaliado, à luz dos seguintes parâmetros utilizados para esta

operação: resistência ao colapso, efeito “end-cap”, colapso lateral, isolamento térmico,

raio mínimo de curvatura, entre outros.

9

E, mesmo com um produto projetado, fabricado e resistente a todas as solicitações

impostas durante a operação, é necessário garantir a instalação, etapa em que novos

obstáculos devem ser superados, entre eles: cargas elevadas, necessidade de adequação

dos navios de lançamento e de seus respectivos equipamentos (tensionadores, guinchos,

guindastes etc.).

Em águas ultraprofundas, “risers” e “flowlines” devem ser capazes de suportar

grandes variações de magnitude e natureza dos carregamentos, sendo necessário, para o

desenvolvimento destas estruturas, uma revalidação dos procedimentos de instalação,

além do projeto de novos equipamentos, ref. [8].

1.6 O DUTO FLEXÍVEL

No desenvolvimento de um campo submarino, os dutos são parte significativa do

custo total do projeto. E, à medida que a profundidade aumenta, os aspectos de

instalação dos dutos possuem maior importância no processo.

1.6.1 Estrutura convencional de um duto flexível

Resumidamente, a estrutura de um flexível pode ser entendida conforme a Figura 2.

Figura 2 – Camadas da estrutura de um duto flexível

31 2 54

10

A camada 1, denominada de camada externa, pode ser polimérica ou mesmo

metálica. Ela deve ser projetada com o intuito de prover proteção às camadas internas

do duto.

As armaduras de tração, indicadas com o número 2, devem ser projetadas para a

resistência axial requerida. O projeto deve contemplar requisitos de torção, controle de

espaçamento entre arames e pressão interna e externa, isto quando o flexível não possuir

armaduras de resistência a esta pressão radial.

O número 3 representa as camadas resistentes à pressão radial externa, também

chamadas de camadas zeta, que devem ser projetadas para a pressão requerida e devem

levar em consideração os espaçamentos entre os arames e evitar perda de

intertravamento.

O item 4 representa as camadas adicionais para isolamento térmico e vedação que

devem ser projetadas conforme requisitos, assim como estruturas para minimizar o

atrito entre superfícies.

Já o item 5, a camada ou carcaça interna, deve levar em consideração os seguintes

aspectos:

• Colapso para mínima pressão interna, máxima externa e máxima ovalização. A

pressão externa deve ser aplicada integralmente na superfície de contorno exterior da

camada. Caso a pressão anular (presente entre as camadas) seja maior que a pressão

externa, esta deve ser considerada como premissa do projeto;

• Aspectos relacionados à fadiga da carcaça;

11

• Propagação de trinca ao longo da carcaça, em função de tensões induzidas por

flexão nos espirais intertravados. O projeto da carcaça deve assegurar que a propagação

de trinca não ocorra;

• Cargas induzidas por expansão e/ou contração térmica;

• Corrosão.

A estrutura completa de um flexível deve ser projetada para atender os requisitos

de equilíbrio torsional e resistência à compressão, conforme premissas de projeto ref.

[7].

A necessidade de isolamento térmico, para prover garantia de fluxo, é também

tema relevante para estudos na utilização de dutos em águas ultraprofundas, mas não é

foco deste trabalho.

1.6.2 Novos conceitos de dutos flexíveis

O advento de dutos flexíveis capazes de serem instalados e de operar em

profundidades de dois mil até três mil metros é essencial para o desdobramento e o

sucesso na exploração de campos em águas ultraprofundas.

Uma das possibilidades vislumbradas pela indústria é uma composição híbrida de

duto, com utilização de materiais compósitos e materiais metálicos, mesmo nas camadas

sujeitas aos esforços. Esta combinação permite a elaboração de dutos flexíveis

“unbonded” de baixo peso e com altíssima resistência ao colapso, ao aperto das sapatas

dos tensionadores e à tração. O conceito propõe a implementação de fibra de carbono

12

reforçada (FCR) nos dutos, promovendo sua utilização em profundidades inatingíveis

para dutos flexíveis de estrutura convencional.

O desenvolvimento deste novo conceito de flexíveis está focado na eliminação de

problemas e incertezas associadas ao uso da fibra de carbono reforçada em estruturas de

dutos convencionais. A aplicação de FCR, como camada resistente à tração, é uma das

alternativas, já que resiste bem ao deslocamento axial e radial, e elimina o risco de

danos por compressão na estrutura, como por exemplo, o dano conhecido como gaiola

de passarinho. A qualificação deste material tem demonstrado que a composição

carbono/epóxi apresenta propriedades mecânicas únicas. A adequação de conectores

encontra-se em fase desenvolvimento e qualificação.

Figura 3 – Estrutura de um flexível com utilização de materiais compósitos na armadura de tração

A Figura 3 apresenta o arranjo estrutural do flexível com utilização de FCR. Esta

composição apresenta essencialmente três camadas estruturais, que são: camada interna

de aço resistente à compressão, camada polimérica que garante a impermeabilidade e

camada formada pelas armaduras de tração reforçadas com fibras de carbono. A camada

zeta não faz parte da composição.

13

Já a aproximação das características de um material compósito às características

dos filamentos que o compõem, está relacionada ao alinhamento e a integridade da

matriz de fibra. Além disso, testes têm mostrado que este projeto é capaz de prover uma

redução significativa de peso de até 50% (ref. [8]).

O “Fiber Spar composite tubing” (FSCT) é um exemplo de duto constituído de

materiais compósitos, que é capaz de ser bobinado e está disponível para aplicações

com até 100mm de diâmetro interno. Porém, já estão sendo realizados testes em escala

real com dutos de até 80mm de diâmetro. Testes de propriedades estruturais foram

realizados para 80 e 110oC. Este produto consiste em um termoplástico linear, matriz de

fibra/epoxi e fibra exterior ou camada termoplástica protetora. Outras possibilidades são

os dutos com polietileno de alta densidade ou polietileno entrelaçado, que estão

disponíveis em diâmetros de 102mm e pressão de 17,2 MPa na temperatura máxima de

82oC. Ainda é possível recorrer a materiais poliméricos que podem ser utilizados em

temperaturas mais altas.

O investimento no desenvolvimento de uma resina para altas temperaturas está

sendo promovido pela Halliburton, que completou recentemente a qualificação do

“Fiberspar Smartpipe Coiled Tubing” para o sistema avançado de construção dos

poços de Anaconda. Este sistema permite a utilização de rotas anteriormente

classificadas como impossíveis de serem utilizadas. A partir de operações simuladas, é

possível tirar conclusões sobre a compatibilidade do fluido, propriedades estruturais e

de resistência à fadiga.

Em parceria com a Fiberspar, a Halliburton também está comercializando dutos

feitos por materiais compósitos em completação de poços e aplicações de reparo de

14

dutos. E, em adição, um programa sistemático de teste está sendo conduzido para

determinar a resistência ao colapso de vários projetos.

O segmento de exploração em águas ultraprofundas ainda estuda um novo produto,

o duto de termoplástico reforçado, que consiste em um termoplástico linear, um reforço

e uma camada externa de proteção termoplástica, funcionando como uma barreira para

o fluido e adicionando resistência à compressão. Na constituição do reforço é utilizada

a fibra de aramida, enquanto que, na do termoplástico, encontra-se o polietileno que

pode ser substituído por outros materiais, como por exemplo, o PVDF e o poly-ketones

(PK). No duto de termoplástico, os diâmetros estão disponíveis numa faixa de 100 a

250mm, com faixa de temperatura de serviço variando de 40 até 60oC.

Outros estudos contemplam análise e aplicações em cenários distintos, utilizando

diversos materiais ref. [8].

1.7 NAVIOS DE LANÇAMENTO DE DUTOS

O principal aspecto relacionado à instalação de dutos em águas ultraprofundas é o

requisito que o sistema de lançamento deve possuir para suportar altos valores de carga

de tração de topo.

Caso as mesmas tecnologias de dutos sejam mantidas, os navios de lançamento

terão que sofrer mudanças significativas, o que reduzirá o número de navios capazes de

realizar as operações e, conseqüentemente, promoverá um aumento nos custos e nos

prazos para instalação.

Este panorama fica ainda mais complexo quando é necessário sustentar a carga de

dutos cheios.

15

Portanto, é inevitável o desenvolvimento e introdução de novos conceitos de

projeto de sistemas de lançamento para águas ultraprofundas. Os navios de lançamento

precisam estar em constante aperfeiçoamento, a fim de se adequarem a esta nova

realidade que se avizinha.

A Figura 4 apresenta o “layout” típico de um navio de lançamento de flexíveis, e

em destaque, seu sistema de armazenamento de dutos.

Figura 4 – Layout de um navio de lançamento de dutos flexíveis

Aspectos inerentes aos sistemas de abandono e recolhimento também são parte do

problema. A própria relação entre peso por unidade de comprimento de um cabo e sua

resistência, pode inviabilizar a sua utilização. O emprego de cabos sintéticos de fibra

pode ser uma solução, mas sua aplicabilidade precisa ser ratificada ref. [5].

1.7.1 Adequação à operação em águas ultraprofundas

Operações “offshore” em grandes profundidades possuem algumas

peculiaridades desafiadoras durante o lançamento de dutos. Algumas destas

características são apresentadas abaixo:

• A torção induzida durante o lançamento de dutos flexíveis torna-se maior

quando associada à baixa temperatura da água e à pressão externa. Como conseqüência,

aumenta a rigidez do duto e resulta em dificuldades nas operações, como por exemplo,

16

em uma conexão vertical de segunda extremidade. Portanto, para um maior controle na

operação, a conexão de primeira é mais indicada e deve ser realizada sempre que

possível.

• A instalação de “bundles” fica comprometida devido ao peso dos dutos.

Módulos de conexão para apenas uma linha são mais aplicados. Ref. [9]

• Cargas elevadas que exigem navios especificamente projetados para esta

operação. Este item acarreta em mudança nos equipamentos que compõem o sistema

básico de lançamento, que são:

1.7.1.1 Tensionadores

Sistema responsável pela sustentação da carga dos dutos durante o lançamento e

recolhimento dos mesmos. Podem ser utilizados em série para aumentar a capacidade de

sustentação de carga.

Diferentes configurações dos “tracks” podem ser utilizadas: três “tracks” em “Y”,

quatro “tracks” em “X”, dois “tracks” verticais etc. O comprimento dos “tracks” influi

diretamente na capacidade de sustentação de carga, ou seja, quanto maior o “track”,

maior a área de contato entre o duto e as sapatas, permitindo, para um mesmo fator de

atrito e uma mesma pressão de aperto, altos valores de sustentação de carga.

1.7.1.2 Guinchos

Utilizados principalmente nas operações de abandono e recolhimento, são parte

fundamental do sistema, devendo ter comprimento e capacidade de carga suficientes

para viabilizar a realização das operações em águas ultraprofundas. Também são

utilizados como ferramenta essencial para manobras de “overboarding” de acessórios e

extremidades dos dutos.

17

1.7.1.3 Guindastes

Utilizados para manuseio dos acessórios e equipamentos pesados, o guindaste deve

ser certificado para operações “offshore”, possibilitando sua utilização em conexão de

módulos verticais a BAPs e “manifolds”. Gráficos de carga para diferentes

configurações da lança devem ser previamente conhecidos para execução segura das

manobras requeridas.

1.7.1.4 Sistema de armazenamento do flexível

É comumente chamado de bobina, quando armazena o duto na vertical, e cesta,

quando armazena na horizontal. Sua capacidade de carga deve ser elevada, assim como

suas dimensões, permitindo o armazenamento de um grande comprimento de dutos e

garantindo sua integridade estrutural.

1.7.1.5 Equipamentos de Suporte

Alguns equipamentos são essenciais durante o lançamento de dutos. O “A-frame”

tem importância indispensável nas manobras de “overboarding”. Mesa retrátil, patescas

e calhas de “overboarding”, colares mecânicos, hidráulicos são acessórios que devem

estar disponíveis e são utilizados durante a realização de diferentes operações.

Todos estes equipamentos devem estar certificados para as cargas envolvidas nas

operações, sendo cada vez mais solicitados à medida que aumenta a profundidade e,

conseqüentemente, o peso das catenárias.

18

1.8 A ORGANIZAÇÃO DO TEXTO

O capítulo 1 apresenta o histórico de instalação de flexíveis e salienta as suas

vantagens de aplicação no arranjo submarino. Além de abordar aspectos relacionados

aos custos e à projeção de exploração em águas de 3000metros de profundidade. A

composição do flexível, a estrutura convencional utilizada para dutos que são instalados

em 2000metros de profundidade, suas camadas e funções também é explanada. Em

continuidade, novos conceitos de composição estrutural são mostrados como alternativa

para aplicação do duto em águas cada vez mais profundas. E, como conseqüência, os

equipamentos necessários para lançamento de dutos, assim como os navios de

lançamento são avaliados, já que é notória a necessidade de adequação dos

equipamentos para realização de operações nas novas fronteiras exploratórias.

No capítulo 2 são realizadas análises globais de lançamento em 3000 metros,

configurações de catenária, ângulos de lançamento e reflexões sobre diferentes cenários.

Os resultados das simulações numéricas, realizadas em Orcaflex, com dutos flexíveis de

tecnologia atual, dutos com novos conceitos e dutos rígidos, são demonstrados.

Um estudo de caso, com aplicação de dutos flexíveis de novas tecnologias, é

dissecado no capítulo 3. Para tal, análises estáticas e dinâmicas de validação do

lançamento são realizadas, além da apresentação da análise local de aperto.

Finalmente, o capítulo 4 apresenta as principais conclusões e as perspectivas de

cenários futuros.

19

2 ANÁLISE GLOBAL DO LANÇAMENTO EM PROFUNDIDADE DE 3000m

2.1 OBJETIVO

A análise global tem como objetivo avaliar os parâmetros inerentes à configuração

de instalação de um duto em 3000m de profundidade, através da investigação de

diferentes configurações de catenária, contemplando variações de profundidade e de

ângulos de topo.

2.2 FORMULAÇÃO ANALÍTICA

A formulação de catenária, baseada nas premissas de um duto inextensível, com

rigidez à flexão nula, são as seguintes, ref. [10]:

y a coshxa

⎛⎜⎝⎞⎟⎠

1−⎛⎜⎝

⎞⎟⎠

⋅

s a sinhxa

⎛⎜⎝⎞⎟⎠

⋅

Para o sistema de coordenadas conforme a Figura 5.

0

250

500

750

000

250

500

750

000

250

500

750

000

0 200 400 600 800 1000

Figura 5 – Sistema de coordenadas

onde:

s

y

x

20

y = profundidade;

s = comprimento suspenso;

a = comprimento característico, determinado por:

aThw

Th = tração horizontal;

w = peso por unidade de comprimento;

x = projeção horizontal da catenária;

α = ângulo de topo.

As variações de configuração a serem avaliadas serão determinadas por alterações

de profundidade e ângulo de topo. Através destes dois parâmetros da catenária, os

demais são obtidos através da solução das seguintes equações, ref. [10]:

sa

1

tan α( )⎛⎜⎝

⎞⎟⎠

xa

lnsa

⎛⎜⎝⎞⎟⎠

2

1+sa

+⎡⎢⎣

⎤⎥⎦

ya

coshxa

⎛⎜⎝⎞⎟⎠

1−

2.2.1 Resultados da variação de profundidade e ângulo de topo na configuração

Com o intuito de prover uma avaliação da variação da configuração da catenária,

em função de alterações no ângulo de topo e na profundidade, estão apresentados a

21

seguir os parâmetros correspondentes às configurações de ângulo de topo de 0,5º, 1,0º,

1,5º, 5,0º e 10,0º.

Primeiramente, a configuração de forma da catenária para 3000 metros de

profundidade é apresentada na Figura 6:

Configuração Estática das Catenárias

0

250

500

750

1000

1250

1500

1750

2000

2250

2500

2750

3000

0 200 400 600 800 1000 1200 1400 1600

Projeção Horizontal [m]

Elev

ação

[m]

0,5 graus1,0 grau1,5 graus5,0 graus10 graus

Figura 6 – Configuração das catenárias em 3000m para diferentes ângulos de topo

As variações da projeção horizontal e do comprimento suspenso, apresentados na

Figura 7, são parâmetros monitorados durante a operação de lançamento. Nota-se

claramente o aspecto linear, para um determinado ângulo de topo, dos parâmetros “x” e

“s” ao longo da profundidade.

22

Variações de x e s em função de y e α

0

500

1000

1500

2000

2500

3000

3500

4000

4500

2500 2600 2700 2800 2900 3000 3100 3200 3300 3400 3500

Profundidade [m]

x e

s [m

]

x (0.5 graus)s (0.5 graus)x (1.0 grau)s (1.0 grau)x (1.5 graus)s (1.5 graus)x (5.0 graus)s (5.0 graus)x (10 graus)s (10 graus)

α

Figura 7 – Gráfico com variação da projeção horizontal e comprimento suspenso

A Figura 8 apresenta a variação dos mesmos parâmetros, porém para alguns

valores de profundidade “y”, variando-se o ângulo de topo. Avaliando-se o gráfico, é

notável o comportamento linear de “s” e o aspecto divergente e não-linear de “x”, para

uma mesma profundidade e ângulos de topo crescentes.

23


0

500

1000

1500

2000

2500

3000

3500

4000

4500

0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10

α [graus]

x e

s [m

]

x (2500m)s (2500m)x (2600m)s (2600m)x (2700m)s (2700m)x (2800m)s (2800m)x (2900m)s (2900m)x (3000m)s (3000m)x (3100m)s (3100m)x (3200m)s (3200m)x (3300m)s (3300m)x (3400m)s (3400m)x (3500m)s (3500m)

y

Figura 8 – Gráfico da projeção horizontal e do comprimento suspenso com a variação do ângulo de topo

Um importante parâmetro que deve ser monitorado durante a operação de

lançamento é o mínimo raio de curvatura da catenária. A figura 9 e a figura 10

demonstram a variação do MBR, em função da profundidade e do ângulo de topo.

24

Variações de MBR em função de y e alpha

0

100

200

300

400

500

600

700

2500 2600 2700 2800 2900 3000 3100 3200 3300 3400 3500

Profundidade [m]

MB

R [m

]

MBR (0.5 graus)MBR (1.0 grau)MBR (1.5 graus)MBR (5.0 graus)MBR (10 graus)

α

Figura 9 – Gráfico de variação de raio de curvatura em função do ângulo de topo

Nota-se o aumento linear do raio mínimo de curvatura com o aumento da

profundidade. Na Figura 10, observa-se que o raio mínimo de curvatura não varia

linearmente com o aumento do ângulo de topo.

25


0

100

200

300

400

500

600

700

0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10

α [graus]

MB

R [m

]

MBR (2500m)MBR (2600m)MBR (2700m)MBR (2800m)MBR (2900m)MBR (3000m)MBR (3100m)MBR (3200m)MBR (3300m)MBR (3400m)MBR (3500m)

y

Figura 10 – Gráfico de variação de raio de curvatura em função da profundidade

Todos os parâmetros e gráficos acima foram determinados pela formulação

analítica e estática da catenária. Para a obtenção de configurações que levem em

consideração as propriedades reais dos dutos, três diferentes especificações são

propostas e apresentadas na seção 2.3.

2.3 ANÁLISE GLOBAL DE DIFERENTES DUTOS

Com o objetivo de realizar avaliação mais precisa do comportamento dos dutos em

águas ultraprofundas, foram realizadas simulações numéricas do comportamento de três

diferentes dutos: um flexível de tecnologia tradicional, um duto rígido e um flexível de

novos materiais, com o auxílio do software Orcaflex versão 8.3c. Este software é

utilizado para modelagem estática e dinâmica de uma extensa variedade de sistemas

26

marítimos, além de ser o mais utilizado pela indústria “offshore” neste tipo de análise

ref. [11].

Para a elaboração do modelo e posterior avaliação dos resultados dos três diferentes

tipos de duto, as seguintes características foram consideradas:

Duto 1:

• Denominação: Flexível 6”

• Pressão de Projeto [psi]: 4300

• Diâmetro interno [m]: 0,152

• Diâmetro externo [m]: 0,379

• Peso linear, no ar, vazio [kg/m]: 158

• Rigidez à flexão em 3000m de profundidade [kN.mm2]: 184,56

• Rigidez Axial [kN]: 250000

Duto 2:

• Denominação: Novo flexível 6”





• Rigidez à flexão em 3000m de profundidade [kN.mm2]: 180


27

Duto 3:

• Denominação: Rígido 6”





• Rigidez à flexão em 3000m de profundidade [kN.mm2]: 3881


A norma de dutos submarinos DNV-OS-F101, ref. [12], foi utilizada para

determinar as características do duto rígido, realizando-se uma comparação pertinente

entre dutos flexíveis e dutos rígidos, em aspectos relevantes à instalação. As equações

de integridade estrutural de um duto rígido foram verificadas para o duto especificado.

Dentre as verificações necessárias, a resistência ao colapso local deve ser satisfeita na

fase de instalação. O apêndice A apresenta o procedimento de cálculo para verificação

de colapso local. O valor de máxima curvatura no duto rígido, que não provoca seu

colapso, é 0,005 para o duto com as características apresentadas.

2.3.1 Comparação dos resultados da análise com o Orcaflex

Após a simulação numérica, no Orcaflex, de uma série de configurações de

catenária, os resultados foram comparados com os previamente obtidos por intermédio

da formulação analítica. Nos gráficos da Figura 11 e da Figura 12 estão representados,

respectivamente, o comprimento suspenso e a projeção horizontal das catenárias,

28

extraídos da simulação. Nos gráficos, “deep flex” representa o flexível de novas

tecnologias.

Comprimento Suspenso

2000

2500

3000

3500

4000

4500

2500 2700 2900 3100 3300 3500

Profundidade [m]

Com

prim

ento

Sus

pens

o [m

]

Deep flex 0,5

Rígido 0,5

Flex 0,5

Deep flex 1,0

Rígido 1,0

Flex 1,0

Deep flex 1,5

Rígido 1,5

Flex 1,5

Deep flex 5,0

Rígido 5,0

Flex 5,0

Deep flex 7,0

Rígido 7,0

Flex 7,0

Deep flex 10

Rígido 10

Flex 10

Figura 11 - Gráfico do comprimento suspenso para diferentes profundidades

Projeção Horizontal

-2000

-1800

-1600

-1400

-1200

-1000

-800

-600

-400

-200

0

2500 2700 2900 3100 3300 3500

Profundidade [m]

Proj

eção

Hor

izon

tal [

m]

Deep flex 0,5

Rígido 0,5

Flex 0,5

Deep flex 1,0

Rígido 1,0

Flex 1,0

Deep flex 1,5

Rígido 1,5

Flex 1,5

Deep flex 5,0

Rígido 5,0

Flex 5,0

Deep flex 7,0

Rígido 7,0

Flex 7,0

Deep flex 10

Rígido 10

Flex 10


29

Comparando-se os gráficos da Figura 11 e da Figura 12, com os resultados da

Figura 7, notam-se valores muito semelhantes, especialmente para os dutos flexíveis nas

maiores profundidades. Como esperado, a formulação analítica pode ser utilizada em

cenários de instalação de flexíveis em águas ultraprofundas.

Ainda na análise global, a determinação dos carregamentos e a avaliação do

comportamento dinâmico do sistema são fundamentais e serão explanados nas seções

2.4 e 2.5.

2.4 CARREGAMENTOS

Durante a operação de lançamento, o duto é submetido a uma série de esforços

provenientes de seu próprio peso, de sua configuração de catenária e da pressão de

aperto dos “tensionadores”, além de efeitos de correntezas, da pressão externa devido à

profundidade, movimentos do navio de instalação e da conseqüente força de contato

entre o duto e o leito marinho.

A pressão externa imposta pela coluna d’água é determinante no projeto do duto. A

integridade do mesmo deve ser garantida para a profundidade de instalação e operação.

2.4.1 Carregamentos ambientais:

Ventos, correntezas e ondas são fatores que devem ser considerados durante a

análise. Como se trata de um duto submarino, o efeito direto do vento sobre o duto deve

ser desconsiderado. Porém tal afirmação não pode ser feita a respeito do efeito das

correntezas e das ondas.

O vento é uma variável muito importante na avaliação do comportamento do

sistema flutuante que estará sustentando o duto, seja este uma plataforma, navio de

lançamento ou mesmo uma monobóia. Já que a abordagem deste trabalho refere-se à

30

instalação, o navio de lançamento deve ser capaz de manter seu posicionamento sob

pré-determinadas velocidades do vento.

O vento afeta o comportamento da corrente superficial. A camada em que ocorre

influência direta da ação do vento tem uma determinada profundidade. Esta

profundidade, denominada Camada de Ekman, varia, aproximadamente, entre 10 e 150

metros nos oceanos. Abaixo da superfície, a velocidade da corrente, devido à ação do

vento, decai exponencialmente.

O perfil de velocidade e direção da corrente ao longo da profundidade é afetado por

efeitos de circulação oceânica, que é provocada por diversos fatores.

2.5 COMPORTAMENTO DINÂMICO

O efeito das ondas nos sistemas oceânicos flutuantes gera movimentos nos dutos.

Um sistema flutuante possui seis graus de liberdade, ilustrados na Figura 13:

Figura 13 – Representação gráfica dos seis graus de liberdade de um SFO

Os movimentos de um SFO, excitado por ondas, são definidos pelo RAO deste

sistema. A sigla RAO significa “Response Amplitude Operator”, e se trata de um par de

Heave

Sway

Surge

Yaw

Roll

Pitch

31

números que define a resposta de um grau de liberdade do sistema flutuante para uma

determinada onda de direção e período conhecidos. O primeiro número deste par

relaciona a amplitude do sistema flutuante à amplitude da onda. Já o segundo, chamado

de fase, define a defasagem do movimento do sistema em relação à onda.

Cada SFO possui uma tabela de informações que contempla a relação de seus seis

graus de liberdade com a amplitude da onda e suas respectivas fases. O RAO varia com

o calado e movimento do SFO, com a direção de incidência e com o período da onda.

Matematicamente, o movimento é equacionado da seguinte forma:

z = R.A.cos (wt - φ)

onde

z = deslocamento do SFO (em unidades de comprimento para surge, sway,

heave, e em graus para roll, pitch, yaw);

A = amplitude da onda (em unidade de comprimento)

w = freqüência (em radianos/segundos)

t = tempo (em segundos)

R, φ são as amplitudes e fases do RAO.

A correta definição de direção e sentido do RAO é muito importante para garantir a

confiabilidade nos resultados obtidos. O comportamento de um SFO, quando excitado,

depende de uma série de fatores, como forma do mesmo, distribuição de peso, posição

do centro de gravidade etc. O RAO de um SFO deve ser avaliado para que uma melhor

compreensão da resposta a uma determinada excitação, seja obtida.

32

Em função dos movimentos da embarcação, o fator de amplificação dinâmica varia,

dependendo também da direção de incidência da onda, seu período, e a localização do

ponto de sustentação da carga do duto.

As análises que geraram os resultados indicados nos gráficos das Figura 14 e Figura

15 foram realizadas com espectro regular de ondas de H = 2m, com o intuito de avaliar

a variação carga de um determinado corpo localizado em diferentes posições do navio.

Nos gráficos, esta variação está representada pelo FAD, que é a razão entre a máxima

carga dinâmica e a carga estática do corpo.

A Figura 14 apresenta o comportamento de um navio de lançamento de dutos

rígidos. As abreviações CT, PS, SB significam que o corpo está localizado no centro,

em bombordo e em boreste, respectivamente.

FAD - H=2.5m

1,00

1,02

1,04

1,06

1,08

1,10

1,12

1,14

1,16

1,18

1,20

0 15 30 45 60 75 90 105 120 135 150 165 180

Incidência de ondas (graus)

FAD

CT (6s)

PS (6s)

SB (6s)

CT (7s)

PS (7s)

SB (7s)

CT (8s)

PS (8s)

SB (8s)

CT (9s)

PS (9s)

SB (9s)

CT (10s)

PS (10s)

SB (10s)

CT (11s)

PS (11s)

SB (11s)

CT (12s)

PS (12s)

SB (12s)

CT (13s)

PS (13s)

SB (13s)

Figura 14 – Gráfico do FAD da carga de um corpo em um navio de rígidos em função do ângulo de incidência das ondas

A Figura 15 apresenta o comportamento de um navio de lançamento de dutos

flexíveis.

33

FAD - H=2.5m

1,00

1,05

1,10

1,15

1,20

1,25

1,30

0 15 30 45 60 75 90 105 120 135 150 165 180

Incidência de ondas (graus)

FAD

CT (6s)

PS (6s)

SB (6s)

CT (7s)

PS (7s)

SB (7s)

CT (8s)

PS (8s)

SB (8s)

CT (9s)

PS (9s)

SB (9s)

CT (10s)

PS (10s)

SB (10s)

CT (11s)

PS (11s)

SB (11s)

CT (12s)

PS (12s)

SB (12s)

CT (13s)

PS (13s)

SB (13s)

Figura 15 - Gráfico do FAD da carga de um corpo em um navio de flexíveis em função do ângulo de incidência das ondas

Avaliando os gráficos, nota-se nitidamente a variação da amplificação dinâmica em

função da direção de incidência e do período da onda, conforme mencionado

anteriormente. A diferença de comportamento entre as embarcações é também

claramente verificada. A partir destas análises, é possível determinar quais são os

períodos e incidências críticos para uma determinada embarcação, permitindo um

estudo mais criterioso e ágil das condições críticas de instalação.

Um parâmetro que é desconsiderado nas análises acima é o efeito promovido pela

catenária, que não está modelada no sistema. Para mensurar esta contribuição na

dinâmica de um sistema de lançamento em águas ultraprofundas, foram realizadas

diferentes simulações numéricas, estando os resultados apresentados em seqüência

crescente de ângulo de topo, conforme os seguintes gráficos: Figura 16, Figura 17,

Figura 18, Figura 19, Figura 20 e Figura 21, para ângulos de topo de 0,5º, 1,0º, 1,5º, 5º,

7º e 10º respectivamente.

34

FAD - Catenárias 0,5 - Ondas Regulares H=2.5m

1,00

1,50

2,00

2,50

3,00

3,50

4,00

0 15 30 45 60 75 90 105 120 135 150 165 180

Incidência da onda (graus)

FAD

Deep (6s)

Rígido (6s)

Flex (6s)

Deep (7s)

Rígido (7s)

Flex (7s)

Deep (8s)

Rígido (8s)

Flex (8s)

Deep (9s)

Rígido (9s)

Flex (9s)

Deep (10s)

Rígido (10s)

Flex (10s)

Deep (11s)

Rígido (11s)

Flex (11s)

Deep (12s)

Rígido (12s)

Flex (12s)

Deep (13s)

Rígido (13s)

Flex (13s)

Figura 16 – Gráfico do FAD da tração de topo da catenária em função do ângulo de incidência das ondas com a catenária de meio grau conectada ao navio


1,00

1,50

2,00

2,50

3,00

3,50

4,00

0 15 30 45 60 75 90 105 120 135 150 165 180Incidência da onda (graus)

FAD

Deep (6s)

Rígido (6s)

Flex (6s)

Deep (7s)

Rígido (7s)

Flex (7s)

Deep (8s)

Rígido (8s)

Flex (8s)

Deep (9s)

Rígido (9s)

Flex (9s)

Deep (10s)

Rígido (10s)

Flex (10s)

Deep (11s)

Rígido (11s)

Flex (11s)

Deep (12s)

Rígido (12s)

Flex (12s)

Deep (13s)

Rígido (13s)

Flex (13s)


incidência das ondas com a catenária de um grau conectada ao navio

35


1,00

1,50

2,00

2,50

3,00

3,50

4,00


FAD

Deep (6s)

Rígido (6s)

Flex (6s)

Deep (7s)

Rígido (7s)

Flex (7s)

Deep (8s)

Rígido (8s)

Flex (8s)

Deep (9s)

Rígido (9s)

Flex (9s)

Deep (10s)

Rígido (10s)

Flex (10s)

Deep (11s)

Rígido (11s)

Flex (11s)

Deep (12s)

Rígido (12s)

Flex (12s)

Deep (13s)

Rígido (13s)

Flex (13s)

Figura 18- Gráfico do FAD da tração de topo da catenária em função do ângulo de incidência das ondas com a catenária de 1,5 graus conectada ao navio


1,00

1,50

2,00

2,50

3,00

3,50

4,00


FAD

Deep (6s)

Rígido (6s)

Flex (6s)

Deep (7s)

Rígido (7s)

Flex (7s)

Deep (8s)

Rígido (8s)

Flex (8s)

Deep (9s)

Rígido (9s)

Flex (9s)

Deep (10s)

Rígido (10s)

Flex (10s)

Deep (11s)

Rígido (11s)

Flex (11s)

Deep (12s)

Rígido (12s)

Flex (12s)

Deep (13s)

Rígido (13s)

Flex (13s)


incidência das ondas com a catenária de cinco graus conectada ao navio

36


1,00

1,50

2,00

2,50

3,00

3,50

4,00


FAD

Deep (6s)

Rígido (6s)

Flex (6s)

Deep (7s)

Rígido (7s)

Flex (7s)

Deep (8s)

Rígido (8s)

Flex (8s)

Deep (9s)

Rígido (9s)

Flex (9s)

Deep (10s)

Rígido (10s)

Flex (10s)

Deep (11s)

Rígido (11s)

Flex (11s)

Deep (12s)

Rígido (12s)

Flex (12s)

Deep (13s)

Rígido (13s)

Flex (13s)


incidência das ondas com a catenária de sete graus conectada ao navio


1,00

1,50

2,00

2,50

3,00

3,50

4,00


FAD

Deep (6s)

Rígido (6s)

Flex (6s)

Deep (7s)

Rígido (7s)

Flex (7s)

Deep (8s)

Rígido (8s)

Flex (8s)

Deep (9s)

Rígido (9s)

Flex (9s)

Deep (10s)

Rígido (10s)

Flex (10s)

Deep (11s)

Rígido (11s)

Flex (11s)

Deep (12s)

Rígido (12s)

Flex (12s)

Deep (13s)

Rígido (13s)

Flex (13s)


incidência das ondas com a catenária de sete graus conectada ao navio

37

O efeito de arrasto da catenária e a razão peso na água sobre peso no ar são

determinantes para uma diferença brusca nos resultados de amplificação dinâmica.

Quanto menor é a gravidade específica do duto (ou seja, a divisão peso na água pelo

peso no ar), maior é a amplificação no valor da tração de topo.

Através de estudo minucioso dos gráficos, verifica-se uma diminuição dos valores

de amplificação dinâmica para maiores ângulos de topo. A explicação para este fato está

na configuração da seção da catenária. Para ângulos menores, o navio suspende mais

duto do fundo em menor tempo. Este efeito é mais determinante na amplificação

dinâmica que o efeito de arrasto. Este último aumenta quanto maior for o ângulo de

topo.

Após a determinação das condições críticas de desempenho dinâmico, uma

modelagem espectral mais adequada é realizada. O intuito é estabelecer uma relação

direta entre os resultados obtidos pelas análises e os valores obtidos no campo, através

da comparação do estado do espectro de onda utilizado nas análises e a condição de mar

encontrada no campo.

As análises dinâmicas incluem os aspectos ambientais, que comumente são

retirados de uma coleta de dados previamente realizada no campo, onde dar-se-á a

operação de lançamento. Esta coleta de dados compilada é normalmente denominada

“Metocean Data” e apresenta informações inerentes à condição de mar, correnteza,

vento, densidade da água e outros fatores de uma região, permitindo a simulação de um

lançamento em diferentes condições ambientais.

Nas análises dinâmicas, foram adotadas premissas ambientais relativas à condição

de mar, através da formulação JONSWAP. Esta formulação baseia-se em uma coleta de

dados de ondas do programa Join North Sea Wave Project, realizado entre 1968 e 1969,

38

ref. [13]. O espectro representa mares com pista limitada, sendo dados de entrada a

velocidade do vento e o comprimento da pista. A equação original de JONSWAP é:

S f( ) αg2

2π( )4⋅

1

f 5⋅ exp 5−

4f

fm

⎛⎜⎝

⎞⎟⎠

4−⎡⎢⎣

⎤⎥⎦

⋅ γ

expf fm−( )2−

2 σ fm⋅( )2

⎡⎢⎢⎣

⎤⎥⎥⎦

onde:

γ = 3,3 (em média)

α 0.076F 0.22−

fm 3.5gU

⎛⎜⎝

⎞⎟⎠

F 0.33−

σ = σa = 0,07 para f ≤ fm

σb = 0,09 para f > fm

F = pista adimensional =F g

F

U2⋅

;

F = comprimento da pista;

U = velocidade do vento a 10m de altura;

g = constante gravitacional

Nota: α e fm são parâmetros de escala do espectro de ondas funções do tamanho da

pista; γ é chamado de parâmetro de picosidade, que representa a razão entre a energia

espectral máxima e a energia correspondente do espectro de Pierson-Moskowitz.

39

A formulação de JONSWAP pode ser alterada em função de características

específicas de uma região. Para as análises globais deste trabalho, os parâmetros

adotados para definição do espectro de onda foram:

γ = 2,525699462;

α = 0,003418319;

σa = 0,07;

σb = 0,09;

Tp = 8,12s.

Esses valores geram um espectro de Hs = 2m e Tz = 6,21s.

2.6 RESULTADOS DA ANÁLISE GLOBAL

Os valores de carga de topo, carga horizontal no TDP, comprimento suspenso,

projeção horizontal da catenária, máxima curvatura, máximo momento fletor e demais

parâmetros, são apresentados nos gráficos das figuras 22, 23, 24, 25, 26, 27, 28, 29 e 30.

40

Tração de Topo Estática

0

200

400

600

800

1000

1200

1400

1600

1800

2000

2500 2700 2900 3100 3300 3500

Profundidade [m]

Traç

ão d

e To

po [k

N]

Deep flex 0,5

Rígido 0,5

Flex 0,5

Deep flex 1,0

Rígido 1,0

Flex 1,0

Deep flex 1,5

Rígido 1,5

Flex 1,5

Deep flex 5,0

Rígido 5,0

Flex 5,0

Deep flex 7,0

Rígido 7,0

Flex 7,0

Deep flex 10

Rígido 10

Flex 10

Figura 22 - Gráfico da Tração de topo estática para diferentes profundidades

Como esperado, os valores de tração de topo estáticos aumentam com a

profundidade. Ao utilizar o mesmo cenário para uma comparação entre as três

tecnologias de dutos, tem-se, por exemplo, para 3000m de profundidade e ângulo de

topo de cinco graus, os seguintes resultados:

Tabela 2 – Resultados para 3000m de profundidade e ângulo de topo de cinco graus

Dutos Tração Estática de Topo Diferença percentual

Flexível: 1390 kN NA

Flexível novo: 600 kN -56,8%

Rígido: 830 kN -40,2%

A redução da tração estática de topo, através do uso do novo flexível, é notória,

conforme tabela 2.

41

Tração de Topo Dinâmica

0

500

1000

1500

2000

2500

3000

2500 2700 2900 3100 3300 3500

Profundidade [m]

Traç

ão d

e To

po [k

N]

Deep flex 0,5

Rígido 0,5

Flex 0,5

Deep flex 1,0

Rígido 1,0

Flex 1,0

Deep flex 1,5

Rígido 1,5

Flex 1,5

Deep flex 5,0

Rígido 5,0

Flex 5,0

Deep flex 7,0

Rígido 7,0

Flex 7,0

Deep flex 10

Rígido 10

Flex 10

Figura 23 - Gráfico da Tração de topo dinâmica para diferentes profundidades

Um comportamento interessante pode ser observado no gráfico acima: para a

estrutura do duto flexível convencional, em ângulos de topo crescentes, os valores de

tração de topo dinâmicos diminuem com o aumento da profundidade. Esta tendência é

explicada pela aproximação da freqüência natural do sistema da freqüência de

excitação. Esta afirmação pode ser ser verificada analisando dois pontos distintos do

gráfico da figura 23, nas profundidades de 2900m e 3100m para o ângulo de lançamento

de 0,5 graus. Conforme observado no software de simulação, enquanto a densidade

espectral da tração de topo do duto rígido aumenta para a mesma frequência de

excitação, a densidade espectral da tração de topo do duto flexível diminui.

42

Comprimento Suspenso

2000

2500

3000

3500

4000

4500

2500 2700 2900 3100 3300 3500

Profundidade [m]

Com

prim

ento

Sus

pens

o [m

]Deep flex 0,5

Rígido 0,5

Flex 0,5

Deep flex 1,0

Rígido 1,0

Flex 1,0

Deep flex 1,5

Rígido 1,5

Flex 1,5

Deep flex 5,0

Rígido 5,0

Flex 5,0

Deep flex 7,0

Rígido 7,0

Flex 7,0

Deep flex 10

Rígido 10

Flex 10

Figura 24 - Gráfico do comprimento suspenso da catenária para diferentes

profundidades

Na figura 24, o comprimento de diversas configurações de catenária é apresentado.

Logicamente, o comprimento suspenso cresce com o aumento da profundidade e com o

incremento do ângulo de topo. É interessante observar o cruzamento entre as linhas que

representam diferentes dutos, demonstrando que a rigidez à flexão altera

significativamente a forma da catenária.

43

Projeção Horizontal

-2000

-1800

-1600

-1400

-1200

-1000

-800

-600

-400

-200

0

2500 2700 2900 3100 3300 3500

Profundidade [m]

Proj

eção

Hor

izon

tal [

m]

Deep flex 0,5

Rígido 0,5

Flex 0,5

Deep flex 1,0

Rígido 1,0

Flex 1,0

Deep flex 1,5

Rígido 1,5

Flex 1,5

Deep flex 5,0

Rígido 5,0

Flex 5,0

Deep flex 7,0

Rígido 7,0

Flex 7,0

Deep flex 10

Rígido 10

Flex 10


Já na figura 25, os valores de projeção horizontal das catenárias indicam que o

sistema de monitoramento do TDP deve ser adequado para atingir distâncias de até

1800m, seja através de ROV ou de uma embarcação de suporte.

44

Tração de Fundo Dinâmica [kN]

0

100

200

300

400

500

600

700

800

900

2500 2700 2900 3100 3300 3500

Profundidade [m]

Traç

ão d

e Fu

ndo

[kN

]Deep flex 0,5

Rígido 0,5

Flex 0,5

Deep flex 1,0

Rígido 1,0

Flex 1,0

Deep flex 1,5

Rígido 1,5

Flex 1,5

Deep flex 5,0

Rígido 5,0

Flex 5,0

Deep flex 7,0

Rígido 7,0

Flex 7,0

Deep flex 10

Rígido 10

Flex 10

Figura 26 - Gráfico da tração de fundo dinâmica para diferentes profundidades

Tração de Fundo Estática [kN]

0

50

100

150

200

250

300

350

2500 2700 2900 3100 3300 3500

Profundidade [m]

Traç

ão d

e Fu

ndo

[kN

]

Deep flex 0,5

Rígido 0,5

Flex 0,5

Deep flex 1,0

Rígido 1,0

Flex 1,0

Deep flex 1,5

Rígido 1,5

Flex 1,5

Deep flex 5,0

Rígido 5,0

Flex 5,0

Deep flex 7,0

Rígido 7,0

Flex 7,0

Deep flex 10

Rígido 10

Flex 10

Figura 27 - Gráfico da tração de fundo estática para diferentes profundidades

45

Os gráficos das figuras 26 e 27 apresentam os valores de tração no TDP para cada

configuração. Nos valores estáticos observam-se trações de até 30ton, enquanto nos

dinâmicos o valor máximo é de 80ton. Estes resultados salientam a importância do

projeto de um sistema de propulsão e posicionamento dinâmico adequado para cargas

elevadas.

Momento Fletor

0,00

10,00

20,00

30,00

40,00

50,00

60,00

70,00

80,00

2500 2700 2900 3100 3300 3500

Profundidade [m]

Mom

ento

Fle

tor [

kN.m

]

Deep flex 0,5

Rígido 0,5

Flex 0,5

Deep flex 1,0

Rígido 1,0

Flex 1,0

Deep flex 1,5

Rígido 1,5

Flex 1,5

Deep flex 5,0

Rígido 5,0

Flex 5,0

Deep flex 7,0

Rígido 7,0

Flex 7,0

Deep flex 10

Rígido 10

Flex 10

Figura 28 - Gráfico do momento fletor para diferentes profundidades

Os valores indicados na figura 28 são mais importantes na avaliação estrutural do

rígido, já que o valor do momento fletor, combinado à tração e às pressões externa e

interna, resulta na tensão no duto. O mesmo não pode ser dito para o flexível, visto que

sua camada intertravada é projetada para permitir o dobramento do duto. Na análise do

flexível, o raio de curvatura, a máxima pressão interna e externa e a máxima tração

podem ser considerados como condições limitantes isoladas.

46

Curvatura para Profundidade de 3000m

0

0,005

0,01

0,015

0,02

0,025

0,03

0,035

0,04

0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10

Ângulo de Topo [graus]

Cur

vatu

ra

S/ Rigidez a FlexãoFlexD FlexRigid

Figura 29 – Curvatura de diferentes dutos para 3000m e diferentes ângulos de topo

Os resultados apresentados na figura 29 demonstram a impossibilidade de

instalação do duto rígido em ângulos de topo menores que cinco graus em 3000m de

profundidade. Esta limitação está associada à deformação máxima permitida na região

do “sagbend”, que não pode ser maior que 0,005, conforme mencionado na seção 2.3 e

no apêndice A, que contempla o cálculo de resistência ao colapso local.

Portanto, todos os cenários de instalação de dutos rígidos com ângulos de topo

inferiores a cinco graus, não são viáveis. Mudanças nas propriedades dos dutos, como,

por exemplo, o aumento do limite de escoamento através da utilização de outro

material, podem tornar possíveis estas outras condições de instalação.

O gráfico da figura 30 apresenta a variação do mínimo raio de curvatura para

diferentes ângulos de topo, com o aumento da profundidade.

47

Raio Mínimo

0,0

100,0

200,0

300,0

400,0

500,0

600,0

700,0

800,0

2500 2700 2900 3100 3300 3500

Profundidade [m]

Rai

o m

ínim

o [m

]

Deep flex 0,5

Rígido 0,5

Flex 0,5

Deep flex 1,0

Rígido 1,0

Flex 1,0

Deep flex 1,5

Rígido 1,5

Flex 1,5

Deep flex 5,0

Rígido 5,0

Flex 5,0

Deep flex 7,0

Rígido 7,0

Flex 7,0

Deep flex 10

Rígido 10

Flex 10

Figura 30 – Raio mínimo de diferentes dutos para 3000m e diferentes ângulos de topo

Os valores de raio mínimo obtidos não são restrições para a instalação dos flexíveis.

O MBR destes dutos independe da profundidade de sua aplicação. Já no caso do duto

rígido, quanto maior a pressão externa, menor é o raio de curvatura para não provocar

colapso.

2.7 CONCLUSÕES DAS ANÁLISES GLOBAIS

As avaliações globais demonstram os parâmetros de instalação de dutos em águas

ultraprofundas. Ao comparar os resultados entre a formulação analítica, e as análises

estáticas em Orcaflex para os flexíveis, nota-se que estes são bem similares. Logo, para

48

determinação de configurações estáticas de dutos flexíveis, a formulação analítica pode

ser utilizada como premissa para cálculos de catenária.

Quando a rigidez a flexão é similar à dos dutos rígidos, os resultados diferem

significativamente. A forma da catenária apresenta resultados completamente diferentes,

comprovando, portanto, a necessidade de avaliação das configurações em softwares

específicos.

Durante as análises dinâmicas com o espectro de ondas JONSWAP, os resultados

demonstraram a importância da relação peso do duto na água, seu comprimento e sua

elasticidade. Estes valores podem determinar uma freqüência natural do sistema

próxima à freqüência de excitação. Nos casos investigados, o flexível convencional

apresentou elevados valores de amplificação diante de sua baixa densidade específica.

Este parâmetro deve ser cuidadosamente verificado na seleção de dutos flexíveis de

novas tecnologias construtivas.

Os resultados de amplificação dinâmica dos pontos nos navios, sem a inclusão de

catenárias, podem ser usados como indicadores do comportamento mais desfavorável da

embarcação isoladamente, mas é essencial a modelagem com a catenária para obtenção

de valores dinâmicos que representem o comportamento do sistema completo. Sem a

catenária, efeitos de massa adicional e de arrasto são desconsiderados, o que acarreta

uma grande discrepância nas amplificações.

Os valores dinâmicos de carga de topo para dutos flexíveis de novas tecnologias,

maiores em 3500m do que em 2500m, representam um interessante aspecto nas futuras

avaliações de instalação em águas ultraprofundas. A freqüência de excitação pode estar

mais próxima da freqüência natural do sistema em águas mais rasas, provocando

49

maiores carregamentos do que os obtidos em águas mais profundas. Isto indica que o

ponto crítico de carga de instalação não está sempre no trecho mais profundo da rota.

Diferentes configurações de ângulo de topo mudam bruscamente os resultados de

amplificação dinâmica para os novos flexíveis, como pode ser constatado nos gráficos

de tração dinâmica de topo.

Nota-se ainda, que para a instalação de dutos nas profundidades investigadas, os

SFOs devem possuir um sistema de lançamento com capacidade de sustentação de

valores altos de carga. Mesmo na instalação de um flexível vazio de novas tecnologias,

o valor de carga dinâmica ultrapassa 250ton. Além disso, cargas horizontais de até

80ton solicitam o sistema de propulsão das embarcações, assim como projeções

horizontais de até 1800m indicam a necessidade de um navio de suporte para

monitoramento do TDP.

50

3 ESTUDO DE CASO

O cenário abordado neste capítulo, escolhido como estudo de caso, demonstra que a

indústria de exploração offshore de petróleo está diante da necessidade de adequação de

seus equipamentos e processos aos desafios impostos pela instalação em águas

ultraprofundas, com lâminas d’água em torno de 3000m.

Para o entendimento da localização desta nova fronteira de exploração, a Figura 31

mostra os campos de exploração de petróleo da Bacia de Campos e suas profundidades.

Figura 31 – Campos de exploração de petróleo na bacia de Campos

Poços perfurados a 67 km de Marlim Leste, com 2857m de profundidade (figura

32), já comprovam as novas fronteiras exploratórias no Brasil.

51

Figura 32 – Localização de poço em profundidades próximas a 3000 metros 3.1 CENÁRIO

Com o objetivo de analisar um cenário de profundidade em torno de 3000m, a

seguinte operação de instalação do duto flexível é proposta:

Localização do poço: leste de Marlim leste em 3000m de LDA.

Características do duto a ser instalado: flexível de novas tecnologias, denominado

como novo flexível, conforme tabela 3.

Tabela 3 – Parâmetros do novo flexível

Diâmetro externo: 0,321 m

Diâmetro interno: 0,152 m

Peso vazio no ar: 101 kg/m

Rigidez à flexão: 180 kN.mm2

52

Operação a ser realizada: lançamento de 8km de um duto de 6”, para conexão em

primeira extremidade na BAP, numa profundidade de 3000m; lançamento ao longo da

rota com profundidade máxima de 3320m e conexão de segunda extremidade em um

“manifold” a 3050m de profundidade. Os módulos de conexão são para linha singela,

10 ton de massa, ângulo de 45º, com a linha em “spool” rígido (“goose neck”).

A variação da profundidade ao longo da rota se dá conforme figura 33:

Perfil de profundidade da Rota

-3350

-3300

-3250

-3200

-3150

-3100

-3050

-3000

-2950

0 1000 2000 3000 4000 5000 6000 7000 8000

Kp [m]

Prof

undi

dade

[m]

Figura 33 – Perfil do leito marinho para o estudo de caso 3.2 PARÂMETROS DO MODELO

O software Orcaflex versão 8.7c foi utilizado para determinação das cargas, bem

como configurações estáticas e dinâmicas durante o lançamento. A fim de abranger

os diversos aspectos da instalação, os seguintes cenários foram modelados:

53

• Conexão vertical de 1ª extremidade na BAP do poço em 3000 metros, conforme

figura 34.

Figura 34 – Desenho esquemático representando uma CVD de 1ª extremidade

• Lançamento do duto ao longo da rota, conforme figura 35.

Figura 35 – Desenho esquemático representando lançamento ao longo da rota

54

• Conexão vertical de 2ª extremidade no manifold em 3040 metros, conforme

figura 36.

Figura 36 – Desenho esquemático representando a conexão de 2ª extremidade

• Lançamento do duto alagado no trecho mais profundo da rota.

3.2.1 Propriedades dos dutos

Os dutos flexíveis de novas tecnologias são propostos para a configuração do

arranjo submarino em águas ultraprofundas, por sua alta relação resistência/peso e por

apresentarem os benefícios citados na introdução deste trabalho, em relação aos dutos

rígidos.

3.2.2 Critérios Ambientais

O espectro irregular de ondas, com a formulação JONSWAP, é implementado no

modelo para as análises dinâmicas. Diferentes características do espectro de onda foram

aplicadas, dependendo do tipo de operação:

• CVD de 1ª e 2ª extremidade: Hs=1.6m, Tp=8,12s;

55

• Lançamento ao longo da rota: Hs=2.0m, Tp=8.12s.

3.2.3 Parâmetros do Navio de Instalação

O navio segue os padrões das atuais embarcações de instalação em águas

profundas, e possui as seguintes especificações básicas (tabela 4):

Tabela 4 – Características dos equipamentos do navio de lançamento

Equipamento Carga máxima de operação

Conjunto de Tensionadores: 250 ton para lançamento 400 ton para sustentação

Guinchos: 400 ton

Guindaste: 100 ton

Sistema de armazenamento: 1500 ton

As premissas adotadas acima são utilizadas como condições limitantes para as

operações.

3.3 RESULTADOS DAS SIMULAÇÕES

3.3.1 Cargas no momento da CVD de 1ª:

No instante de aproximação final para conexão da primeira extremidade do tramo

no poço, através de uma conexão vertical direta (figuras 37 e 38), a máxima carga de

topo varia em função do comprimento da catenária. A carga de topo no cabo, que

realiza a operação de conexão, é uma composição do peso do MCV, somado às parcelas

de carga referentes ao comprimento suspenso da linha e ao peso próprio do cabo.

56

Figura 37 – Vista superior do modelo de conexão vertical de 1ª extremidade em Orcaflex

Figura 38 – Vista lateral do modelo de conexão vertical de 1ª extremidade

As amplificações dinâmicas são aplicadas nestas cargas, resultando nos valores

máximos dinâmicos (tabela 5) para os quais o equipamento de lançamento deve ter

capacidade.

Tabela 5 – Cargas durante operação de CVD em 1ª extremidade

Parâmetro Máxima tração estática [kN]

Máxima tração dinâmica [kN]

Cabo de conexão 795 845

Topo do duto 546 1440

Cabo de conexão

MCV

Navio de lançamento

Catenária

57

3.3.2 Parâmetros de lançamento ao longo da rota:

Os gráficos abaixo apresentam a variação dos principais parâmetros de lançamento

ao longo da rota, para ângulos de topo de 0,5º, 1,0o, 1,5º e 5º, tendo em vista que a

variação de ângulo de topo pode resultar em condições favoráveis no lançamento.

Tração de Topo Dinâmica

1700

1800

1900

2000

2100

2200

2300

0 1000 2000 3000 4000 5000 6000 7000 8000

Kp [m]

Traç

ão d

e To

po [k

N] 0,5 graus

1 grau1,5 graus5 graus

Figura 39 – Tração de Topo dinâmica ao longo do lançamento

As figuras 39 e 40 representam, respectivamente, os valores das cargas de topo

dinâmicas e estáticas. A carga de topo de lançamento deve ser acompanhada ao longo

de toda a operação. Através deste monitoramento, aspectos importantes devem ser

avaliados. Relevantes conclusões são obtidas através deste exame, como por exemplo,

alterações na condição de mar e alagamento incidental da linha.

58

Tração de Topo Estática

540

560

580

600

620

640

660

680

0 1000 2000 3000 4000 5000 6000 7000 8000

Kp [m]

Traç

ão d

e To

po [k

N] 0,5 graus


Figura 40 – Tração de Topo estática ao longo do lançamento

Já as figuras 41 e 42 mostram a variação da carga horizontal da catenária ao longo

da rota.

59

Tração Dinâmica no TDP

400

450

500

550

600

650

700

750

800

850

900

950

0 1000 2000 3000 4000 5000 6000 7000 8000

Kp [m]

Traç

ão n

o TD

P [k

N] 0,5 graus


Figura 41 – Tração dinâmica no TDP ao longo do lançamento

Tração Estática no TDP

0

5

10

15

20

25

30

35

40

45

50

55

60

0 1000 2000 3000 4000 5000 6000 7000 8000

Kp [m]

Traç

ão n

o TD

P [k

N] 0,5 graus


Figura 42 – Tração estática no TDP ao longo do lançamento

60

Comprimento Suspenso da Catenária

3000

3050

3100

3150

3200

3250

3300

3350

3400

3450

3500

3550

3600

3650

3700

3750

3800

0 1000 2000 3000 4000 5000 6000 7000 8000

Kp [m]

Com

prim

ento

Sus

pens

o [m

]

0,5 graus1 grau1,5 graus5 graus

Figura 43 – Comprimento Suspenso ao longo da rota

O comprimento suspenso para diferentes ângulos de lançamento é apresentado na figura 43.

Projeção Horizontal da Catenária

100

200

300

400

500

600

700

800

900

1000

1100

0 1000 2000 3000 4000 5000 6000 7000 8000

Kp [m]

Proj

eção

Hor

izon

tal [

m] 0,5 graus


Figura 44 – Projeção horizontal da catenária ao longo da rota

61

Como pode ser observado no gráfico da figura 44, a variação do ângulo de topo tem

grande impacto na projeção horizontal.

Curvatura

0,002

0,004

0,006

0,008

0,010

0,012

0,014

0,016

0,018

0,020

0,022

0,024

0,026

0,028

0,030

0 1000 2000 3000 4000 5000 6000 7000 8000

Kp [m]

Cur

vatu

ra [m

-1]

0,5 graus1 grau1,5 graus5 graus

Figura 45 – Curvatura da catenária ao longo da rota

E, finalmente, o gráfico da figura 45 apresenta a curvatura do duto ao longo de seu

lançamento, para diferentes configurações de catenária. A avaliação deste parâmetro é

de suma importância para a garantia da integridade do flexível.

3.3.3 Cargas no momento da CVD de 2ª:

No momento da conexão em segunda extremidade, a inclinação do MCV precisa

estar dentro do limite de alinhamento permitido pelo “hub” da estrutura instalada no

fundo. Auxiliada por um cabo, a certificação da melhor configuração para conexão é

efetuada, conforme figura 46.

62

Figura 46 – Vista lateral do modelo de CVD 2ª em Orcaflex

A carga no cabo de conexão difere um pouco da carga durante o acoplamento em 1ª

extremidade, visto que o “manifold” está 40m mais fundo que o poço. Os resultados são

apresentados na tabela 6:

Tabela 6 – Cargas durante operação de CVD em 2ª extremidade

Parâmetro Máxima tração estática [kN]

Máxima tração dinâmica [kN]

Cabo de conexão 905 970

3.3.4 Condição Crítica de Instalação

O equipamento de instalação do navio deve ter capacidade de sustentar a carga

crítica de instalação, considerando a hipótese de um alagamento acidental. As figuras 47

e 48 apresentam os resultados de cargas de instalação, para a condição de duto alagado.

Corcova para CVD de 2ª

63

Tração de Topo Estática - Duto alagado

1000

1050

1100

1150

1200

1250

1300

1350

0 1000 2000 3000 4000 5000 6000 7000 8000

Kp [m]

Traç

ão d

e To

po [k

N] 0,5

11,55

Figura 47 – Tração de topo estática para duto alagado

Tração de Topo Dinâmica - Duto alagado

2500

2600

2700

2800

2900

3000

3100

3200

3300

0 1000 2000 3000 4000 5000 6000 7000 8000

Kp [m]

Traç

ão d

e To

po [k

N] 0,5

11,55

Figura 48 – Tração de topo dinâmica para duto alagado

64

3.4 COMENTÁRIOS SOBRE OS RESULTADOS

A operação de lançamento para conexão do poço em 1a extremidade, lançamento ao

longo da rota e conexão de 2a extremidade no “manifold” foi investigada, e a utilização

de dutos flexíveis de novas tecnologias provou ser a mais adequada para o cenário

descrito. Comparando com os flexíveis convencionais, as cargas envolvidas são muito

menores. Se, por outro lado, o duto rígido fosse usado, a viabilidade de conexão vertical

direta ficaria comprometida.

Cargas de topo da ordem de 200ton foram obtidas, provando a necessidade de

embarcações com sistemas de lançamento capazes de sustentação de cargas elevadas.

Em função dos valores obtidos de projeção horizontal, o monitoramento do TDP

pode ser feito pelo mesmo navio que realiza a operação de lançamento. A exceção fica

para o cenário de cinco graus de ângulo de topo, onde surge a necessidade de uma

embarcação de suporte, em função da grande projeção horizontal da catenária.

No caso de alagamento do duto, o sistema de tensionadores deve ter uma

capacidade de sustentação de carga de 400ton, o que permite a manobra de parada de

lançamento e transferência para o sistema de abandono, que igualmente deve ser dotado

de um guincho de 400ton.

3.5 ANÁLISE LOCAL NO FLEXÍVEL

Concluída a fase de análise global do lançamento, outro ponto de especial

atenção refere-se à análise local do flexível, no ponto onde ocorre sua sustentação pelos

tensionadores. Esforços de grande magnitude são aplicados nas regiões de contato dos

65

“tracks” com o duto, objetivando manter a sujeição do mesmo ao equipamento de

lançamento.

Para a análise local do duto flexível, foi realizada uma modelagem por

elementos finitos, baseada no exemplo proposto e validado através de experimentos por

Cruz e Sousa [15] e [17].

Cada camada do duto foi modelada com o intuito de representar de maneira realista

o comportamento estrutural do flexível.

Para as camadas resistentes à pressão, em função da complexidade de suas formas

(camadas intertravadas), fez-se necessária a simplificação do modelo, com a adoção de

uma camada homogênea com comportamento estrutural compatível com o da camada

intertravada.

Segundo o modelo proposto por Cruz e Sousa ref [15] e [17], a espessura

homogênea equivalente a uma camada intertravada pode ser expressa por meio da

seguinte equação, que é obtida através da equivalência da rigidez à flexão:

t 12

IxA

Onde:

t = espessura equivalente;

Ix = menor momento de área da seção;

A = Área da seção.

Para o novo flexível em questão, tem-se:

Ix = ((b.h3) / 12) + A.d12) + ((b.h3) / 12) + A.d2

2)

66

Onde:

b = 1mm

h = 1,8mm

d1 = 2,9mm

d2 = 0mm

A = 1,8mm2

Logo:

Ix = 16,11mm4

t = 10.3mm

3.5.1 Aperto mínimo para sustentação do duto

Para determinação do menor aperto para sustentação, no tensionador, da carga

imposta pela catenária, deve-se considerar o comprimento dos “tracks”, o coeficiente de

atrito entre as camadas do flexível e a máxima carga dinâmica do duto.

O aperto mínimo é determinado pela fórmula de atrito simples, conforme abaixo:

Aperto =

Ttopo FS⋅

μ N⋅ n⋅ l⋅

Onde:

Ttopo = máxima carga de tração;

μ = coeficiente de atrito entre as camadas do duto;

N = número de tensionadores;

67

n = número de “tracks”;

l = comprimento de contato dos “tracks” com o duto;

FS = Fator de segurança

3.5.2 Aplicação das cargas do estudo de caso

A análise da instalação no trecho mais profundo da rota levou em consideração as

seguintes condições:

• Máxima carga suportada pelo sistema;

• Mínimo aperto necessário aplicado ao duto, para sustentação da carga;

• Fator de segurança igual a 1.3;

• Sistema de lançamento de dois tensionadores de 3 “tracks”, com cinco metros de

comprimento e um duto com um coeficiente de atrito de 0,1 entre as camadas.

Neste caso, o aperto necessário é:

Aperto [kN/m] =

2500 1.3⋅0.1 2⋅ 3⋅ 5⋅

Aperto [kN/m] = 1100 kN/m

3.5.3 Modelo em elementos finitos

O software COSMOSWorks, que trabalha em ambiente SolidWorks, foi utilizado

para a avaliação do comportamento estrutural do duto aplicado neste estudo de caso. O

SolidWorks é um software para modelagem tridimensional, enquanto o aplicativo

COSMOSWorks é provido de uma série de recursos, dentre eles a capacidade de

avaliação estrutural através de FEA.

68

As figuras abaixo apresentam o modelo (figura 49) e a malha de elementos gerada

(figura 50), formada por 19745 nós, 14484 elementos e 59235 graus de liberdade.

Figura 49 – Modelo 3D do duto flexível

Figura 50 – Malha de elementos finitos

Diante da necessidade de aplicação de 1100 kN/m para sustentação da máxima

carga de 2500kN, FEA foram realizadas para diferentes números de “tracks”: dois, três

e quatro. As figuras abaixo apresentam os valores da tensão de Von mises para 3

“tracks” (figura 51), 2 “tracks” (figura 52) e 4 (figura 53).

69

Figura 51 – Resultados de tensões de Von Mises devido à compressão do tensionador com três “tracks”

Figura 52 – Resultados de tensões de Von Mises devido à compressão do tensionador com dois “tracks”

70

Figura 53 – Resultados de tensões de Von Mises devido à compressão do tensionador com quatro “tracks”

A figura 54 apresenta os resultados da análise de aperto com quatro “tracks”

combinado com a carga máxima de tração de 2500 kN.

Figura 54 – Resultados de tensões de Von Mises devido à compressão do tensionador com quatro “tracks” e tração de 250ton

71

Conforme apresentado no apêndice B, quando uma espessura equivalente é

utilizada para representar camadas não homogêneas, os valores de tensão devem ser

corrigidos por um fator. Este fator é função da largura e espessura da camada, área da

seção e número de arames. Cabe salientar, que nas análises do duto de novas

tecnologias o valor 1 foi estabelecido em função das incertezas inerente a configuração

estrutural das camadas compostas por novos materiais.

Novas análises devem ser realizadas com a aplicação do fator de correção quando

maiores detalhes da composição dos novos flexíveis estiverem disponíveis.

3.6 COMENTÁRIOS SOBRE OS RESULTADOS

Os níveis de tensões resultantes, para o caso de aperto local do flexível nos

tensionadores, estão abaixo da tensão de escoamento para os materiais que compõem

cada camada do duto.

Avaliando os gráficos, nota-se uma redução significativa no nível de tensões com o

aumento do número de “tracks”. A tabela 7 resume os valores:

Tabela 7 – Nível de tensões para diferentes configurações de track

Configuração Máxima tensão de Von mises Diferença percentual

3 “tracks” 431 MPa NA

2 “tracks” 1139 MPa +164%

4 “tracks” 247 MPa -43%

Nota-se, portanto, a importância da utilização de um maior número de “tracks”,

objetivando a manutenção das tensões dentro dos limites de integridade estrutural do

duto.

72

O modelo em FEA foi validado através da comparação de seus resultados com os

valores obtidos nas ref. [18] e [19], em análise e experimentos. Esta comparação pode

ser vista com mais detalhe no apêndice B.

73

4 CONCLUSÕES

Este trabalho apresenta uma discussão a respeito da viabilidade da utilização

(lançamento e operação) de dutos flexíveis em ambiente de exploração “offshore” com

profundidades de 3000m, além de uma análise comparativa com o uso de dutos rígidos

nas mesmas condições. A análise global promoveu a comparação entre três diferentes

tecnologias construtivas de dutos, e suas características intrínsecas, além da

investigação e avaliação de diversas configurações de lançamento. O duto flexível de

nova tecnologia, com estrutura composta por camada de tração reforçada por fibra de

carbono, provou ser o mais adequado para águas ultraprofundas, em função de sua alta

relação resistência/peso.

O estudo de caso apresentou a simulação de uma operação de lançamento,

demonstrando sua viabilidade com a utilização dos novos dutos flexíveis. Finalmente,

um modelo em FEA foi validado e as análises locais de integridade estrutural foram

conduzidas.

Assim, o novo conceito de flexível provou ser capaz de viabilizar operações que

seriam difíceis de realizar com dutos rígidos ou com dutos flexíveis convencionais,

podendo estas novas técnicas construtivas tornarem-se importantes contribuições para a

superação de um dos mais desafiadores obstáculos com que se defronta a indústria

petrolífera, em cenários de exploração “offshore” em águas ultraprofundas.

4.1 CENÁRIOS FUTUROS

Com o aumento de descobertas de campos em águas ultraprofundas, a indústria terá

que de debruçar sobre todos os aspectos inovadores que fazem parte da exploração de

petróleo em condições tão adversas, incluindo a transformação/substituição de

74

materiais, equipamentos e processos, bem como o desenvolvimento de novos conceitos

de projeto.

Além das questões relacionadas à viabilidade do lançamento e da operação,

analisados sob o ponto de vista estrutural, uma série de outros aspectos, que não foram

foco deste trabalho, devem ser considerados, tais como: isolamento térmico, degradação

de materiais compósitos em ambiente marinho, etc.

A viabilidade econômica da utilização dos novos materiais e técnicas também deve

ser analisada criteriosamente, já que o custo total de um empreendimento de exploração

offshore é fortemente influenciado pela escolha dos materiais e componentes, e pelos

custos de instalação.

No âmbito do flexível com estrutura composta por camada de tração reforçada por

fibra de carbono, a consolidação do arranjo estrutural deve ser investigada e novos

modelos de simulação do comportamento intercamadas, específicos para esta

composição estrutural, deverão futuramente surgir.

75

5 BIBLIOGRAFIA

[1] PETROBRAS, PROCAP 3000: próxima fronteira de exploração em águas

ultraprofundas, Rio de Janeiro, 2000.

[2] PALMER, A. e KING, R., Subsea Pipeline Engineering, 2004.

[3] O`BRIEN, P, State of Art Flexible Riser Integrity Issues, U.K., 2001.

[4] EYLES, T. e HATTON, S., Threaded Risers and Flowlines for Field Architeture,

Aberdeen, 2000.

[5] FRAZER, I., Deepwater: The Challenges Associated with Adapting Deep Water

Technology to Ultra Deep Water Requirements, Houston, 2003

[6] THOMÉ, M. C. e GALGOUL, N. S., Evaluation of a rigid pipe concept for

deepwater production, OMAE Rio de Janeiro, 2001

[7] API, API SPECIFICATION 17J Specification for Unbonded Flexible Pipe, US,

2002

[8] PRICE, J. C., The “State of the Art” in Composite Material Development and

Applications for the Oil and Gas Industry Materials, Japão, 2002

[9] NETO, E. e MAURÍCIO, J, Flexible Pipe for Ultra-Deep water applications: the

Roncador Experience, OTC 2001

[10] FERNANDES, A. C., Up-to-date Spread-Sheet Program for Preliminary Analysis

of Flexible and Steel Catenary Risers using Catenary concepts, 10th International

Symposium on Offshore Engineering, Rio de Janeiro, 1997.

76

[11] ORCINA, Design Software for Flexible Risers and Offshore Systems – Visual

Orcaflex Manual User, U.K., 1997.

[12] DNV, DNV-OS-F101 Submarine Pipeline Systems, Noruega, 2000.

[13] PINHO, U. F., Caracterização dos estados de mar da bacia de Campos, Rio de

Janeiro, 2003.

[14] ORCINA, Orcaflex User Manual, U.K., 2006.

[15] CRUZ, F.T. L., Análise estrutural de dutos flexíveis através do método de

elementos finitos, Tese de Mestrado USP, São Paulo, 1996

[16] PETROBRAS, N-2409 Flexible Pipe Specification, 1994.

[17] SOUSA, J. R. M., Análises numéricas de risers flexíveis, Tese de Mestrado

COPPE/UFRJ, 1999.

[18] SOUSA, J. R. M., LIMA, E. C. P., ELLWANGER G. B. e PAPALEO, A., Local

Mechanical Behaviour of flexible pipes subjected to installation loads, OMAE Rio de

Janeiro, 2001.

[19] SOUSA, J. R. M., LIMA, E. C. P., ELLWANGER G. B. e PAPALEO, A.,

MAGLUTA, C., ROITMAN, N., Analysis of the response of flexible risers to the loads

imposed by hydraulic collars, OMAE Cancun, 2003.

[20] FERET, J. J. e BOURNAZEL, C. L., Calculation of Stress and Slip in Structural

Layers of Unbonded Flexible Pipes, OMAE Journal, 1987.

[21] RYTTER, J., BIRK-SØRENSEN, M., BENDIKSEN, E., LINDBERG, P.,

KULAKOV, V., Flextreme - Pipe Design And Installation Analysis For Carbon Fibre

Reinforced Flexible Pipe, 3rd Workshop on Subsea Pipelines, Rio de Janeiro, 2002.

77

APÊNDICE A

Verificação da resistência ao colapso local de um duto rígido pela DNV-OS-F101,

ref. [12].

pe 29.42MPa:= Pressão externa

γSC 1.04:= Fator para classe de segurança

γm 1.15:= Fator para resistência do Material

εA 0:= Deformação Acidental

γA 0:= Fator para carga acidental

αh 0.845:= Mínimo de endurecimento por deformação (YS/UTS)

αgw 1:= Fator de soldagem (resistência a deformação)

t2 12.7mm:= Espessura do duto

γε 2.1:= Fator de resistência

ν 0.3:= Coeficiente de Poisson

Projeto de Dutos Rígidos

E 207000MPa:= Módulo de Elasticidade

fy 448MPa:= Tensão de Escoamento

αfab 1:= Fator de Fabricação

f0 0.03:= Ovalização

D 0.1683m:= Diâmetro externo

εdyn 0.005:= Deformação dinâmica

εstat 0.002:= Deformação estática

γF 1.2:= Fator para carga funcional

γc 1:= Fator para carga condicional

γE 1.3:= Fator para carga ambiental

78

pel 2 E⋅

t2D

⎛⎜⎝

⎞⎟⎠

3

1 ν2

−

⋅:=

pp 2 fy⋅ αfab⋅t2D

⎛⎜⎝

⎞⎟⎠

⋅:=

b pel−:=

c pp( )2 pp pel⋅ f0⋅Dt2⋅+⎡⎢

⎣⎤⎥⎦

−:=

d pel pp( )2⋅:=

v12

d1− b⋅ c⋅

3+

2 b3⋅

27+

⎛⎜⎝

⎞⎟⎠

⋅:=

u13

c b2 1−3

⋅+⎛⎜⎝

⎞⎟⎠

⋅:=

φ acosv−

u3−

⎛⎜⎝

⎞⎟⎠

:=

y 2− u−⋅ cos 60π

180⋅

φ

3+⎛⎜

⎝⎞⎟⎠

⋅:=

pc y13

b⋅−⎛⎜⎝

⎞⎟⎠

:=

εF εstat:=

εE εdyn εstat−( ):=

εd εF γF⋅ γc⋅ εE γE⋅+ εA γA⋅ γc⋅+( ):=

εc 0.78t2D

0.01−⎛⎜⎝

⎞⎟⎠

⋅ αh( ) 1.5−⋅ αgw⋅:=

εdεc

γε

⎛⎜⎜⎝

⎞⎟⎟⎠

0.8pepc

γSC γm⋅( )

⎡⎢⎢⎣

⎤⎥⎥⎦

+ =

79

εd

εc

γε

⎛⎜⎜⎜⎝

⎞⎟⎟⎟⎠

0.8 pe

pc

γSC γm⋅

+ 1≤

Para D/t ≤ 45 e pi < pe.

Onde:

D = Diâmetro externo do duto;

t = espessura;

pe = pressão externa;

pc = pressão de colapso.

DNV fator de utilização para diferentes espessuras

0,0

0,5

1,0

1,5

2,0

2,5

3,0

0,000 0,002 0,004 0,006 0,008 0,010

Deformação

DNV

fu

7,1

7,9

8,7

9,5

11

12,7

14,3

15,9

18,3

19,1

22,2

Figura 55 – Fator de utilização DNV para diferentes espessuras

80

Para determinação da deformação em função da curvatura do duto tem-se:

σ E ε⋅

M y⋅I

E ε⋅

ε yME I⋅⋅

M k E⋅ I⋅

ε k y⋅

Onde:

M = Momento de flexão

k = curvatura

81

APÊNDICE B Comparação entre o modelo FEA proposto e os modelos apresentados na ref. [18]

e [20].

As tabelas e figuras abaixo apresentam um resumo das análises de comparação

realizadas. Para a comparação do modelo quando submetido à tração, tem-se:

Figura 56 – Modelo 3D e malha de elementos finitos do duto flexível

Figura 57 – Resultados de tensões Axiais na carcaça e armaduras de tração

82

Nos resultados de tensão axial é necessário aplicar o fator de correção de

membrana, conforme ref. [18], neste caso igual a 1,979, acarretando nos resultados da

tabela 8.

Tabela 8 – Resultados dos modelos quando submetidos à tração

Tensão Axial devido à aplicação de 50kN de tração Camada

Feret [20] Sousa [18] Modelo

Carcaça -108,2 -100,0 -102,9

Armadura Interna 102,9 90,0 98,0

Armadura Externa 89,2 84,0 86,0

O resultado do comportamento da estrutura do duto quando submetida aos

esforços provenientes dos “tracks” dos tensionadores é apresentada abaixo:

Figura 58 – Resultados de deformações no duto em função do aperto A comparação entre resultados dos diferentes modelos é apresentada na tabela 9:

Tabela 9 – Resultados dos modelos quando submetidos ao aperto

Deformação em função de aperto de 155kN

Sousa [18] Modelo

0,013 0,0123

Os resultados confirmam a aplicabilidade do modelo de elementos finitos

apresentado neste trabalho.

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